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상대 동위 원소 질량은 원자 질량이 원자 질량 단위으로 표기될 때 같은 수치를 가진다는 점에서 유사하다. 두 개념의 유일한 차이점은 상대 동위원소 질량은 단위가 없는 순수한 숫자라는 것이다. 이러한 단위의 상실은 탄소-12 원자를 표준으로 하여 그 비율을 나타내었기 때문이다. 그리고 "상대 동위원소 질량"에서 "상대"의 단어는 위의 &lt;chem&gt;^{12}_{6}C&lt;/chem&gt; 원자에 대한 상대 척도를 나타낸다.
예를 들어, &lt;chem&gt;^{12}_{6}C&lt;/chem&gt; 원자의 상대 동위 원소 질량 은 정확히 12이다. 이와 비교하여, &lt;chem&gt;^{12}_{6}C&lt;/chem&gt; 원자의 원자 질량은 정확히 12 Da 또는 12 u이며 &lt;chem&gt;^{12}_{6}C&lt;/chem&gt; 원자의 원자 질량은 1.66 x 10−27 kg 과 같이 다른 단위로도 표현할 수 있다.
&lt;chem&gt;^{12}_{6}C&lt;/chem&gt; 원자 이외의 핵종은 자연수 값의 상대 동위 원소 질량을 갖지 않는다. u 또는 Da 로 표현된 핵종도 마찬가지로 &lt;chem&gt;^{12}_{6}C&lt;/chem&gt; 원자 이외에는 자연수 값을 갖지는 않지만 항상 자연수에 가깝다.
유사 용어 및 부연 설명.
원자 질량과 상대 동위 원소 질량은 혼동하기 쉽다. 또한 올바르게 사용되지 않을 때가 종종 있다. 상대 원자 질량의 동의어인 표준 원자량, 표준화 된 원자량이라는 의미에서 특별한 종류의 원자량)과 같이 혼동할 수 있다. 그러나 앞서 언급했듯이, 원자량과 표준 원자량은 단일 핵종 원소가 아닌 원소 샘플의 동위 원소 존재도에 대한 평균치인 것이다. 그런 식으로, 원자량과 표준 원자량은 대개 원자 질량 이나 상대 동위 원소 질량과는 수치적으로 다르며 이 값들이 통일된 원자 질량 단위로 표현되지 않았을 때 원자 질량과는 다른 단위를 가질 수 있다.
원자 질량은 한번에 하나의 동위원소 또는 핵종의 원자의 질량으로 정의되며 존재도에 대한 가중 평균치가 아니다. 그러므로 화학 원소의 동위 원소나 핵종의 원자 질량 또는 상대 동위 원소 질량은 매우 정밀하게 측정할 수 있는 숫자이다. 그러한 핵종의 모든 시료들은 다른 시료들과 정확하게 동일할 것으로 예상되고 같은 에너지 준위의 모든 원자들의 핵종에 대한 모든 시료들 또한 다른 시료들과 정확히 동일할 것으로 예상되기 때문이다. 예를 들어, 산소-16의 모든 원자들은 다른 모든 &lt;chem&gt;^{16}_{8}O&lt;/chem&gt;의 원자들과 정확히 동일한 원자 질량을 가질 것으로 예상된다.
단일 핵종 원소이거나 하나의 주요 동위 원소를 갖는 많은 원소의 경우, 가장 일반적인 동위 원소의 원자 질량과 (표준) 상대 원자 질량 또는 (표준) 원자량 간의 실제 수치 유사성 또는 그 차이는 작거나 심지어는 없으며 대부분은 계산에 영향을 미치지 않는다. 그러나 이러한 오류는 단일 핵종으로 고려하지 않을 때 존재할 수 있으며 중요할 수도 있다.
통일된 원자 질량 단위로 표현된 원자 질량(즉, 상대 동위 원소 질량)은 &lt;chem&gt;^{12}_{6}C&lt;/chem&gt; 원자를 제외하곤 항상 2가지 이유 때문에 그 값이 자연수에 근접해있다.
원자 질량에 대한 질량수(핵자수)의 비율은 1H는 1.00782505, 56Fe는 0.99884로 다양하다.
핵자간 결합 에너지로 인한 질량 결함은 실험적으로, 동등한 수의 자유 핵자들의 질량 합 보다 작은 비율(1% 미만)이다. &lt;chem&gt;^{12}_{6}C&lt;/chem&gt; 원자는 핵자당 평균 질량을 비교해보면 이는 다른 원자들에 비해 상당히 강하게 결합되어있다. 대부분의 원자들의 결합에 대한 질량의 결함은 매우 작은 부분이다. 자유로운 양성자들과 중성자들은 매우 작은 질량 차이가 있다(대략 0.00014 u). 원자 질량 단위로 주어진 상대 동위 원소 질량이나 원자 질량을 가장 가까운 자연수로 반올림하면 항상 핵자 수 또는 질량수가 산출된다. 덧붙여, 중성자의 수는 질량수(핵자 수)에서 양성자 수(원자 번호)를 차감하여 도출 할 수 있다.
&lt;chem&gt;Z&lt;/chem&gt; 개의 양성자와 &lt;chem&gt;N&lt;/chem&gt; 개의 중성자로 원소 &lt;chem&gt;X&lt;/chem&gt;를 만든다면 결손된 질량은 다음과 같다.formula_1이 값은 모든 핵에 대하여 항상 양의 값이다. 또한 핵의 질량은 양성자와 중성자를 합한 것보다 작다는 것이다. 결손된 질량에 빛의 상수를 제곱한 값을 곱하여 에너지 단위("E"="mc"2)를 산출해낸다면, Δ"c"2 가 되고 이것이 핵의 결합 에너지이다. 결합 에너지를 핵자의 수에 대하여 정규화한다면, 아래의 식으로 표현할 수 있다.formula_2핵자의 수에 대한 결합 에너지의 곡선은 작은 원자 질량에서는 가파르게 상승한다. 40 이상의 질량수를 가지는 핵은 9 MeV 조금 아래까지 완만하게 상승하다가 56Fe 원소에서부터 점차 감소함을 알 수 있다. 결합 에너지 생성에 대해서는 두가지 부류가 있다. 두 개의 가벼운 핵이 결합되어 결합 에너지 곡선에서 더 높은 결합 에너지를 가지는 무거운 핵을 만드는 핵융합 반응과 하나의 무거운 핵으로부터 각 핵당 높은 결합 에너지를 가지는 두 개의 가벼운 핵을 만드는 핵분열 반응이다.
질량수에 대한 원자 질량(단위: Da)의 비율은 탄소-12의 경우 1 로 정의되고, 그 이후로 최저치인 56Fe까지 감소한다(58Fe 과 62Ni 만 조금 더 큰 값을 가진다.). 그 후, 무거운 동위 원소들은 원자 번호가 증가함과 동시에 그 값 또한 증가한다. 이 결과로부터, 지르코늄보다 무거운 원소의 핵분열은 에너지를 만들어 내고, 나이오븀보다 가벼운 원소들은 에너지를 필요로 한다. 다른 한편으로는 스칸듐보다 가벼운 원소 2 개의 핵융합(헬륨은 제외)은 에너지를 만들어 내고, 칼슘보다 무거운 원소들은 에너지를 필요로 한다.
원자 질량의 측정 방법.
거시적 수량에서 물질의 양을 정량화하는데 사용되는 국제단위계(SI)는 몰(, 단위 mol)이며 &lt;chem&gt;^{12}_{6}C&lt;/chem&gt; 12 g에 함유되는 원자의 수로 정의한다. 1 몰에 해당하는 입자의 수를 아보가드로 수()라고 부르며, 대략 6.0221415×1023이다.
1 몰의 물질은 항상 그 물질의 몰 질량 또는 원자량을 거의 정확하게 포함한다. 그러나 자연 발생 원소인가에 따라서 원자 질량은 그렇지 않을 수 있다. 예를 들어, 철의 원자량은 55.847 g/mol 이고, 지구상에서 흔히 발견되는 철 1 몰은 55.847 그램의 질량을 가지고 있다. 56Fe 동위 원소의 원자 질량은 55.935 u 이고 1 몰의 56Fe 원자들은 이론상 55.935 g의 질량을 가지나, 순수한 56Fe의 이러한 수치들은 지구상에서는 찾을 수가 없다. 그러나, 지구상에서 찾을 수 있는 오직 하나만의 동위 원소를 가지는 22가지의 단일 핵종 원소(일반적으로, 베릴륨, 플루오린, 나트륨과 알루미늄)들과 이 원소들의 원자량과 원자 질량은 같다. 따라서 이러한 원소들은 원자 질량 값의 표준 기준으로 사용할 수 있다.
formula_4는 몰 질량 상수, formula_5는 아보가드로 수이다.
분자(分子, )는 한 개 또는 두 개 이상의 비금속 원자가 화학 결합에 의해 전기적으로 전하를 띠거나 중성을 띠는 원자 그룹으로, 물질의 고유한 성질을 가지는 가장 작은 단위 입자로서 정의된다. 비활성 기체처럼 원자 하나로 이루어진 원자 그룹을 의미하기도 한다.
분자 크기.
대부분의 분자는 너무나도 작아서 사람의 육안으로 보이지 않는다. 가장 크기가 작은 분자는 이원자 분자인 수소(H2)로 원자간의 결합 간격은 0.74 옹스트롬이다. 일반적으로 유기 합성을 위하여 쓰이는 분자의 크기는 몇 안 되는 Å부터 수십 Å에 이른다. 단일 분자는 위에서 언급한 바와 같이 빛으로 관찰할 수 없으나 소분자와 각 원자의 윤곽은 원자간력 현미경을 이용하여 일부 환경에서 추적해 낼 수 있다.
분자라는 용어는 대개 기체상태로 존재하는 작은 규모의 공유 결합 그룹에서만 적용되는데, 이는 질소(N2), 산소(O2), 염소(Cl2)의 경우처럼 홑원소로 존재할 수도 있고, 물 분자(H2O)처럼 서로 다른 원소끼리 결합하여 분자를 이룰 수도 있다. 단백질이나 DNA처럼 분자의 크기가 매우 큰 것은 고분자로 분류되며, 다이아몬드의 경우처럼 탄소 원자간의 공유 결합이 끊임없이 이어져 통째로 하나의 분자로 존재하는 경우도 있다. 수소 결합(얼음 등)이나 이온 결합(염화 나트륨, 염화 칼슘 등)과 같은 비공유결합에 의해 결합된 경우 분자라고 부르지 않고 화학식 단위(formula unit)라고 칭한다.
지각, 맨틀, 그리고 지구의 핵을 구성하는 친숙한 고체 물질들의 대다수는 많은 화학 결합들을 포함하지만, 그의 대다수가 연속적인 결정구조를 가지고 있지 않다. 비록 이것들이 종종 평면적인 분자(그래핀 등)나 입체적인 분자(다이아몬드, 석영, 염화나트륨 등)의 형태로 일시적으로 반복되는 결정구조를 포함하고 있더라도 말이다. 이것은 반복되는 결합 구조를 가지는 고체 금속이라도 그것이 분자로 이루어져 있지는 않다는 것을 의미한다. 또한 유리(혹은 유리와 같은 비결정질의 고체)에서는 원자들이 특정한 배열구조를 가지지 않고 무작위로 결합하고 있다.
메리엄 웹스터와 Online Etymology Dictionary에 따르면 “분자”라는 단어는 라틴어 “몰” 또는 덩어리의 작은 단위로부터 유래된다.
프랑스어의 molécule(미립자,원자)라는 단어에서 유래된 말을 18세기 후반까지 오직 라틴어 형식으로 사용하여 molecula(질량, 장애물)로 불렀으며, 처음에는 모호한 의미였지만 단어의 유행은 르네 데카르트의 철학으로 거슬러 올라간다. 분자의 정의는 분자의 구조에 대한 지식이 쌓이는 만큼 발전해왔다. 분자에 대한 부족한 지식은 분자를 그들의 구성과 화학적 성질들을 유지하는 순수한 화학 물질의 가장 작은 입자라는 다소 정확성이 떨어지는 정의를 내렸다. 예를 들어 바위, 소금, 금속 같은 평범한 경험에서의 물질들이 화학적으로 결합한 원자나 이온의 큰 결정계로 구성되어 있으나 분자들로 이루어져있지는 않다는 것이 밝혀진 이후로 초기 분자의 정의에 대한 신뢰도가 떨어졌다.
결합하는 방법.
분자들은 공유 결합에 의해 결합되어 있다. 비금속 원소의 몇몇 종류만이 보통의 조건에서 분자 상태로 존재한다. 예를 들어 수소(H)는 주변에 반응물이 없는 상태에서 항상 수소 분자(H2)로만 존재한다. 화합물의 분자는 두 종류 이상의 원소들로 구성되어있다. 결합의 종류마다 결합의 세기나 유연성 등이 다르다. 예를 들면 이온 결합에 비해 공유 결합은 강력한 결합을 보여준다. 이 다양한 결합으로 다양한 물질들이 생기는 것이다.
공유결합.
공유 결합은 주로 비금속 원자들 사이에 전자쌍을 공유하여 궤도를 안정시키려고 하는 결합으로, 이러한 전하쌍은 공유전자쌍 또는 결합쌍이라고 불린다. 주변 환경으로부터 각 원자간의 안정적인 에너지 균형을 이룬 상태에서 전자를 공유할 때 공유 결합이라고 불린다.
화학식의 종류.
실험식.
실험식은 화학식의 가장 간단한 종류로, 화합물을 구성하는 원소들의 정수비를 최소로 줄인 것이다. 예를 들어, 물은 항상 수소 원자와 산소 원자가 2:1의 비율로 구성되어있으며, 분자 하나의 화학식을 H2O로 쓸 수 있다. 그리고 에탄올은 항상 탄소, 수소, 산소가 2:6:1의 비율로 구성되어있으며, 분자 하나의 화학식은 C2H6O로 쓸 수 있다. 그러나 이것은 분자의 종류를 확실하게 결정하지는 않는다. 예를 들어 디메틸에테르 또한 화학식이 C2H6O로, 에탄올과 같은 정수비를 가지고 있다. 이처럼 화학식은 같으나 배열 구조가 다른 분자들을 이성질체라 부른다. 또한 아세트산과 모든 단당류는 화학식이 Cn(H2O)m으로 분자 내에서 탄소, 수소, 산소가 항상 1:2:1의 고정된 비율로 구성되어있어 실험식이 모두 CH2O로 동일하나 단당류를 구성하는 총 원자의 수는 각자 다르다.
분자식.
분자식은 분자를 구성하는 원자들의 정확한 수를 반영한다. 이성질체들은 다른 분자들이지만 같은 원자 구성비를 가질 수도 있으며, 실험식은 종종 분자식과 같지만 항상 그런 것은 아니다. 예를 들어 아세틸렌은 분자식C2H2를 갖지만 가장 간단한 원소의 정수비는 CH이며, 위에서 말햇듯이 아세트산(C2H4O2)과 단당류의 실험식은 모두 CH2O로 포름알데히드와도 같다(여기서 아세트산과 포름알데히드는 단당류로서의 성질을 갖지 않는다).
분자량은 종종 화학식으로부터 계산할 수 있고, 탄소-12의 원자량의 1/12과 동일하게 편리한 원자량 단위로 표기된다. 고체 결합에서, 화학식 단위라는 용어는 화학량적인 계산에서 사용된다.
구조식.
구조식은 3차원적인 모양의 복잡한 구조를 갖는 분자들, 특히 네 개 이상의 다른 치환기와 결합한 원자들은 간단한 분자식에서는 그 분자의 구조를 정확하게 표현할 수 없다. 구조식은 결국 1차원의 화학식으로 설명되지만 그러한 화합물 명명법은 많은 단어들과 화학식의 부분이 아닌 용어들을 필요로 한다. 예를 들어 이산화탄소(CO2)는 O=C=O로, 사이안화수소(HCN)는 HC≡N과 같이 표기한다.
시성식.
시성식은 분자의 특징적인 구조를 적절한 위치에 따로 표기하는 화학식으로, 분자의 특성을 확실히 알 수 있도록 작용기나 치환기 등을 강조하여 나타낸 식이다. 예를 들어 아세트산(C2H4O2)의 시성식은 산으로서의 작용기인 카복시기(-COOH)를 따로 표기하여 H3CCOOH와 같이 나타낸다.
분자 과학.
초점이 화학에 있느냐 물리학에 있느냐에 따라 분자의 과학은 분자 화학 또는 분자 물리학이라 불린다. 분자 화학은 이온 결합을 형성하고 분해시키는 분자 사이의 상호작용을 지배하는 법칙들을 다루는 반면에 분자 물리학은 그들의 구조와 속성을 지배하는 법칙들을 다룬다. 그러나 사실 이 구분은 모호하다. 분자 과학에서, 분자는 두 개 이상의 원자로 구성된 안정된 상태로 구성되어 있다. 다원자성 이온들은 가끔 전기 전하를 띤 분자로서 유용하게 생각될 때가 있을지도 모른다. 불안정한 분자라는 용어는 매우 반응적인 종류에서 사용된다. 즉, 전자들과 자유 라디칼, 분자 이온, 리드베르크 분자, 전이 상태, 반데르발스 힘 또는 보스-아인슈타인 응축에서와 같은 충돌하는 원자들의 시스템인 핵들의 오래가지 못하는 집회(공명)이다.
분자 기하학.
분자들은 진동하고 회전하는 운동을 통해 계속적으로 진동하는 것에 대해서 결합길이와 결합각에 고정된 평형 기하학적 구조를 가지고 있다. 하나의 순수한 물질은 같은 평균 기하학적 구조의 분자들로 구성되어 있다. 분자의 화학식과 구조는 그 특성, 특히 반응성을 결정하는 두 중요한 요인들이다. 이성질체들은 하나의 화학식을 공유하지만 그들의 다른 구조 때문에 보통 매우 다른 특성을 가지고 있다. 이성질체의 특정한 종류인 입체 이성질체는 매우 비슷한 이화학의 특성과 동시에 다른 생화학적 활동들을 가지고 있을지도 모른다.
분광 화학.
분광 화학은 에너지(혹은 진동수)라고 알려진 면밀한 신호와 상호작용하는 분자들의 반응을 다룬다. 분자들은 에너지를 흡수하거나 방출하는 행위를 통하여 분자의 에너지 교환을 감지함으로써 분석될 수 있는 정량화된 에너지 준위를 가지고 있다. 분광 화학은 일반적으로 중성자나 전자 또는 고에너지의 엑스선과 같은 미립자들이 보통의 분자배열(결정에서처럼)로 상호작용하는 회절연구에 나타나있지 않다. 마이크로파 분광학은 주로 분자의 회전에서의 변화를 측정하고 외부의 공간에서 분자를 확인하기 위해서 사용될 수 있다. 적외선 분광법은 늘어남, 구부림, 비틀림 등의 운동을 포함한 분자의 진동에서의 변화를 측정한다. 이것은 분자에서의 결합 또는 작용기의 종류를 확인하기 위해서 주로 사용된다. 전자의 배열에서의 변화들은 자외선의 볼 수 있는 근적외선 빛에서 흡수선 또는 방출선을 만들고 색을 방출한다. 핵 공명 분광법은 실제로 분자에서 특정한 핵들의 환경을 측정하고 분자에서 다른 위치에 있는 원자들의 수를 특징짓기 위해서 사용될 수 있다.
이론적 양상.
분자물리와 이론 화학에 의한 분자 연구는 크게 양자역학을 기반으로 하고 화학 결합을 이해하는데 필수적이다. 분자들 중 가장 간단한 것은 수소 분자 이온 H2+이고 모든 화학 결합들 중 가장 간단 한 것은 일전자 결합이다. 수소 분자 이온(H2+)은 양전하를 가지는 두 개의 양성자와 음전하를 가지는 전자로 구성되어있다. 이것은 계에서 슈레딩거 방정식이 전자와 전자의 반발의 부족 때문에 더 쉽게 해결될 수 있다는 것을 의미한다. 빠른 디지털 컴퓨터의 발달으로 더 복잡한 분자들을 위한 거의 정확한 해결책이 가능해졌고 컴퓨터 화학의 주요 양상들 중 하나이다. 원자들의 배열이 분자로 고려되기에 충분히 안정적이던지 아니던지 엄격히 정의하려고 할 때, IUPAC은 이것이 “적어도 하나의 진동상태를 제한하기에 충분히 깊은 퍼텐셜 에너지 표면에 있는 저기압에 일치해야만 한다.”고 제안한다. 이 정의는 분자 사이의 상호작용의 본질에 따르지 않고 오직 상호작용의 세기에 따른다. 사실, 이것은 전통적으로 He2와 같은 분자로서는 정의되지 않는 약한 결합 종들을 포함한다. 이것은 하나의 진동하는 속박상태를 가지고 있으며 매우 헐겹게 묶여 있어서 매우 낮은 기온에도 관찰될 수 있다. 원자들의 배열이 분자로 고려되기에 충분히 안정한지 안정하지 않은지는 본질적으로 사용가능한 정의이다. 그러므로 철학적으로, 분자는 기본적인 독립체가 아니다(예를 들어 반대로 소립자에 대해) 오히려, 분자의 개념은 우리가 관찰하는 세상에서 원자 크기의 상호작용의 세기에 대한 유용한 상태를 만드는 화학자의 방법이다.
질량 보존 법칙(質量保存法則, law of conservation of mass)은 닫힌 계의 질량이 화학 반응에 의한 상태 변화에 상관없이 변하지 않고 계속 같은 값을 유지한다는 법칙이다. 물질은 갑자기 생기거나, 없어지지 않고 그 형태만 변하여 존재한다는 뜻을 담고 있다. 다시 말해, 닫힌계에서의 화학 반응에서, '(반응물의 질량) = (결과물의 질량)'이라는 수식을 만족한다. 질량 보존 법칙은 비상대론적인 법칙이며, 상대성이론을 고려할 경우 상황은 조금 복잡해진다. 상대론을 고려할 경우에도 에너지 보존의 법칙은 성립한다.
이 법칙은 근대 화학의 아버지 앙투안 라부아지에가 최초로 정식화하였다. 그러나 이전에도 미하일 로모노소프(Mikhail Lomonosov) 등이 언급한 바가 있다.
질량/물질 보존의 예외.
물질은 완벽하게 보존되지 않는다..
물질 보존의 법칙은 특수 상대성 이론이나 양자역학을 고려하지 않은 고전적 이론에서만 참인 근사적인 물리 법칙으로 생각될 수 있다. 그것은 특정 높은 에너지 활용을 제외하고는 거의 참이다. 보존의 개념에 특정한 어려움은, ‘물질’이 과학적으로 잘 정의된 단어가 아니라는 점이다. 그리고 물질들이 ‘물질’이라고 생각될 때, (예를 들어 전자나 양전자) 등은 광자를 생성하기 위해 없어진다. (광자는 종종 물질로 생각되지 않는다) 그러면 물질의 보존은 고립계에서도 참이 되지 않는다. 그러나, 물질 보존은 방사능과 핵반응이 포함되지 않는 화학 반응에서 안전하게 추정될 수 있다. 물질이 보존되지 않더라도, 계 안에서의 질량과 에너지의 총 합은 보존된다.
열린계와 열역학적으로 닫힌 계.
또한 질량은 열린계에서 일반적으로 보존되지 않는다. 계 내부나 외부로 다양한 형태의 에너지들이 투입될 수 있거나 나갈 수 있는 경우가 그런 예다. 그러나, 다시 말하지만 방사능과 핵반응이 포함되지 않는다면, 계에서 도망가는 열, 일, 전자기적 방사선은 계의 질량의 감소로 측정하기에는 사실 너무 작다. 고립계에서의 질량 보존 법칙 (질량과 에너지가 전부 닫힌계) 은 어떤 관성계에서 봐도 계속 현대 물리학에서 참으로 여겨진다. 이것의 이유는, 상대성 방정식이 심지어 ‘질량이 없는’ 입자들, 예를 들어 광자들이 고립계에 질량과 에너지를 더한다고 보이기 때문이다. 질량 (물질이 아니지만)이 에너지가 도망가지 않는 계의 과정에서 엄격하게 보존되도록 허락한다. 상대성 이론에서는, 다른 관찰자들이 주어진 계에서의 보존된 특정 값에 동의하지 않을 수 있다. 그러나 각각의 관찰자들은 이 값이 시간에 따라 변하지 않는다는 것에 동의할 것이다. (계가 모든 것에 대해 고립되어 있다면)
일반 상대성 이론에서는, 팽창하는 부피의 우주에서 광자의 변치 않는 총 질량은 적색 이동 때문에 감소할 것이라고 한다. 그래서 질량과 에너지의 보존은 이론에서 에너지로 만들어진 다양한 수정들에 의존한다. 그러한 계들의 변하는 중력 퍼텐셜 에너지 때문이다.
원자론(原子論, Atomic theory)은 물질이 원자라고 불리는 입자들로 구성되어 있다는 과학 이론이다. "원자"라는 단어의 정의는 과학적 발견에 따라 수년간 변화했다. 처음에는 육안으로는 너무 작아서 볼 수 없으며 나눌 수 없는 어떤 근본적인 물질 입자가 있다는 가설적 개념을 지칭했다. 그 후 화학계가 원소는 작은 정수 비율로 서로 결합하는 것을 관찰했을 때, 원자는 원소의 기본 입자로 정의가 정교해졌다. 그러다 물리학자들이 이 입자가 안에 다른 입자가 모여 있는 내부 구조를 가지고 있으며 따라서 "원자"라고 불릴 자격이 없을지도 모른다는 것을 발견했지만, 그 시점에서 원자의 이름을 바꾸는 것은 비현실적이라 '원자'라는 이름이 굳어졌다.
원자론은 역사상 가장 중요한 과학적 발전 중 하나이며, 모든 물리학에 필수적이다. 파인만의 물리학 강의를 시작하면서 물리학자이자 노벨상 수상자인 리처드 파인만은 원자 가설을 가장 다작적인 과학적 개념으로 제시한다.
철학적 원자론.
물질이 미세하고 나눌 수 없는 입자들로 이루어져 있다는 기본 개념은 많은 고대 문화에서 나타난 오래된 생각이다. 원자(atom)라는 단어는 고대 그리스어의 '아토모스'(atomos)에서 유래했는데, 이는 부정 접두사 "a-"와 "자르다"는 의미의 "τομή"(토메)의 조합으로 "자를 수 없는"을 의미한다. 이 고대의 아이디어는 과학적 추론보다는 철학적 추론에 기반을 두었다. 현대 원자론은 이러한 오래된 개념에 기반을 두지 않는다. 19세기 초, 과학자 존 돌턴은 화학 물질이 특정한 무게를 가진 불연속적이고 일관된 단위로 서로 결합하는 것처럼 보인다는 것을 알아차렸고, 이러한 '기본' 단위를 지칭하기 위해 원자라는 단어를 사용하기로 결정했다.
기반.
17세기 후반에 활동한 로버트 보일은 화합물과 다른 물질인 화학 원소의 개념을 발전시켰다. 18세기 말, 원자론의 개념을 언급하지 않고도 화학 분야에서 몇 가지 중요한 발전이 이루어졌다. 첫째는 앙투안 라부아지에로 화합물이 일정한 비율의 원소들로 구성되어 있음을 보여주었으며, 원소를 과학계가 실험을 통해 더 간단한 물질로 분해할 수 없는 물질로 재정의했다. 이는 실험적 지지가 없었던 불, 흙, 공기, 물이 물질의 원소라는 고대 사상을 막내리게 만들었다. 라부아지에는 물이 수소와 산소로 분해될 수 있음을 보여주었고 이를 더 이상 간단한 무언가로 분해할 수 없다는 것을 입증함으로써 이들이 원소임을 증명했다. 또한 라부아지에는 질량 보존의 법칙을 정의했는데, 이는 화학 반응에서 물질이 갑자기 나타나거나 사라지지 않으며 관련된 물질이 변형되더라도 총 질량은 동일하게 유지된다는 것이다. 마지막으로 1797년 프랑스 화학자 조제프 루이 프루스트가 확립한 일정 성분비 법칙이 있었는데, 이는 화합물이 구성 원소로 분해될 경우 원래 화합물의 양이나 출처에 관계없이 그 구성 성분의 질량 비율은 항상 동일하다는 것이다. 이 정의는 화합물과 혼합물을 구분했다.
돌턴의 배수 비례 법칙.
존 돌턴은 자신과 다른 과학자들이 수집한 데이터를 연구했다. 돌턴은 나중에 배수 비례의 법칙으로 알려지게 된 패턴을 발견했다. 즉, 두 가지 특정 원소를 포함하는 화합물에서 원소 B의 양에 대한 원소 A의 양은 이러한 화합물 사이에서 작은 정수비로 달라진다는 것이다. 이는 각 원소가 다른 원소와 기본적인 양의 배수로 결합한다는 것을 시사했다.
1804년, 돌턴은 그의 원자론을 친구이자 동료 화학자인 토머스 톰슨에게 설명했고, 톰슨은 1807년 그의 저서 《화학 체계》(A System of Chemistry)에 화학 원자론에 대한 최초의 완전한 설명을 출판했다. 톰슨에 따르면 돌턴의 아이디어는 "올레피안트 가스" (에틸렌)와 "탄화수소 가스" (메테인)를 실험할 때 처음 떠올랐다고 한다. 돌턴은 "탄화수소 가스"가 "올레피안트 가스"보다 탄소 측정량당 수소를 두 배 더 많이 포함한다는 것을 발견했고, "올레피안트 가스" 한 분자는 탄소 원자 하나와 수소 원자 하나로, "탄화수소 가스" 한 분자는 탄소 원자 하나와 수소 원자 두 개로 이루어져 있다고 결론 내렸다. 실제로는 에틸렌 분자는 탄소 원자 두 개와 수소 원자 네 개(C2H4)를, 메테인 분자는 탄소 원자 하나와 수소 원자 네 개(CH4)를 가지고 있다. 이 특정 경우에 돌턴은 이 화합물의 공식에 대해 틀렸지만, 다음 예에서는 맞게 설명했다.
예시 1 — 주석 산화물: 돌턴은 두 가지 유형의 산화 주석을 확인했다. 하나는 돌턴이 "주석의 원산화물"이라고 부른 회색 분말인데, 88.1%가 주석이고 11.9%가 산소이다. 다른 하나는 돌턴이 "주석의 이산화물"이라고 부른 흰색 분말인데, 78.7%가 주석이고 21.3%가 산소이다. 이 수치를 조정하면, 회색 분말에는 주석 100g당 약 13.5g의 산소가 있고, 흰색 분말에는 주석 100g당 약 27g의 산소가 있다. 13.5와 27은 1:2의 비율을 이룬다. 이 화합물들은 오늘날 산화 주석(II)(SnO)과 산화 주석(IV)(SnO2)으로 알려져 있다. 돌턴의 용어에서 "원산화물"(protoxide)은 산소 원자 하나를 포함하는 분자이며, "이산화물"(deutoxide) 분자는 두 개를 포함한다. 돌턴이 사용한 용어에 대한 현대적 명칭은 일산화물(monoxide)과 이산화물(dioxide)이다.
예시 2 — 산화 철: 돌턴은 두 가지 산화 철을 확인했다. 하나는 돌턴이 "철의 원산화물"이라고 부른 검은색 분말인데, 78.1%가 철이고 21.9%가 산소이다. 다른 산화 철은 돌턴이 "철의 중간 또는 붉은 산화물"이라고 부른 붉은색 분말인데, 70.4%가 철이고 29.6%가 산소이다. 이 수치를 조정하면, 검은색 분말에는 철 100g당 약 28g의 산소가 있고, 붉은색 분말에는 철 100g당 약 42g의 산소가 있다. 28과 42는 2:3의 비율을 이룬다. 이 화합물들은 산화 철(II)과 산화 철(III)이며, 그들의 화학식은 각각 FeO와 Fe2O3이다. 산화 철(II)의 화학식은 일반적으로 FeO로 쓰이지만, 결정성 물질이므로 Fe2O2로도 쓸 수 있으며 이를 Fe2O3와 비교할 때 2:3 비율이 명확하게 드러난다. 돌턴은 "중간 산화물"을 "원산화물 2원자와 산소 1원자"로 묘사했으며, 이는 철 원자 두 개와 산소 원자 세 개가 합쳐진 것이다. 이는 철 원자당 평균 1.5개의 산소 원자를 의미하며, "원산화물"과 "이산화물"의 중간에 위치한다.
예시 3 — 질소 산화물: 돌턴은 "아산화 질소", "질소 가스", "질산" 세 가지 질소 산화물을 알고 있었다. 이 화합물은 오늘날 각각 아산화 질소, 일산화 질소, 이산화 질소로 알려져 있다. "아산화 질소"는 질소 63.3%, 산소 36.7%로, 질소 140g당 산소 80g을 의미한다. "질소 가스"는 질소 44.05%, 산소 55.95%로, 질소 140g당 산소 160g을 의미한다. "질산"은 질소 29.5%, 산소 70.5%로, 질소 140g당 산소 320g을 의미한다. 80g, 160g, 320g은 1:2:4의 비율을 이룬다. 이 화합물들의 화학식은 N2O, NO, NO2이다.
돌턴은 원자를 화학 물질의 "궁극적인 입자"로 정의했으며, "화합 원자"라는 용어를 두 개 이상의 원소를 포함하는 "궁극적인 입자"를 지칭하는 데 사용했다. 이는 원자가 화학 원소의 기본 입자이고 분자가 원자의 집합체인 현대적 정의와 일치하지 않는다. "화합 원자"라는 용어는 "원자"라는 단어가 비분할성을 의미했기 때문에 돌턴의 일부 동시대인에게 혼란을 주었지만, 그는 이산화 탄소 "원자"가 분할되면 더 이상 이산화 탄소가 아니게 된다고 반박했다. 이산화 탄소 "원자"는 더 작은 이산화 탄소 입자로 나눌 수 없다는 의미에서 비분할적이다.
돌턴은 "원소 원자"가 "화합 원자"(오늘날 우리가 분자라고 부르는 것)를 형성하는 방식에 대해 다음과 같은 가정을 했다. 두 원소가 하나의 화합물만을 형성할 수 있을 때, 그는 각각 하나의 원자로 구성되어 있다고 가정했는데, 이를 "이원 화합물"이라고 불렀다. 두 원소가 두 가지 화합물을 형성할 수 있을 때, 첫 번째 화합물은 이원 화합물이고 두 번째는 첫 번째 원소 하나의 원자와 두 번째 원소 두 개의 원자로 구성된 "삼원 화합물"이다. 두 원소가 세 가지 화합물을 형성할 수 있을 때, 세 번째 화합물은 첫 번째 원소 하나의 원자와 두 번째 원소 세 개의 원자를 포함하는 "사원" 화합물이다. 돌턴은 물이 "이원 화합물", 즉 수소 원자 하나와 산소 원자 하나라고 생각했다. 돌턴은 산소, 질소, 수소의 궁극적인 입자가 자연 기체 상태에서 쌍으로 존재한다는 사실(O2, N2, H2)을 알지 못했다. 또한 원자가에 대해서도 알지 못했다. 원자의 이러한 특성은 19세기에 나중에 발견되었다.
원자는 19세기 방법으로는 직접 무게를 잴 수 없을 만큼 너무 작았기 때문에, 돌턴은 수많은 원자의 무게를 가장 가벼운 원소라고 알려진 수소 원자의 무게의 배수로 표현했다. 돌턴의 측정에 따르면 산소 7그램은 수소 1그램과 결합하여 물 8그램을 만들고 남는 것이 없었으며, 물 분자가 산소 원자 하나와 수소 원자 하나로 이루어져 있다고 가정하여 산소의 원자량이 7이라고 결론 내렸다. 실제로는 16이다. 19세기 초 측정 도구의 조악함 외에 이 오류의 주요 원인은 돌턴이 물 분자가 사실 수소 원자 두 개를 가지고 있다는 것을 몰랐기 때문이다. 돌턴이 이를 알았다면 추정치를 더 정확한 14로 두 배 늘렸을 것이다. 이 오류는 1811년 아메데오 아보가드로가 수정했다. 아보가드로는 어떤 두 기체라도 동일한 온도와 압력에서 동일한 수의 분자를 포함한다고 제안했다(즉, 기체 입자의 질량은 기체가 차지하는 부피에 영향을 미치지 않는다). 지금은 보통 아보가드로 법칙이라고 불리는 아보가드로의 가설은 기체 원소 분자의 상대적 무게를 추론하는 방법을 제공했는데, 만약 가설이 옳다면 상대적 기체 밀도가 기체를 구성하는 입자들의 상대적 무게를 직접적으로 나타내기 때문이다. 이러한 사고방식은 직접적으로 두 번째 가설로 이어졌다. 즉 특정 원소 기체의 입자는 원자 쌍이며, 화학적으로 반응할 때 이 분자는 종종 둘로 쪼개졌다. 예를 들어, 수소 2리터가 산소 1리터와 반응하여 물 증기 2리터(일정한 압력과 온도에서)를 생성한다는 사실은 단일 산소 분자가 두 개의 물 분자를 형성하기 위해 둘로 쪼개진다는 것을 시사했다. 물의 화학식은 H2O이지 HO가 아니다. 아보가드로는 산소의 원자량을 15.074로 측정했다.
원자론에 대한 반대.
돌턴의 원자론은 광범위한 관심을 끌었지만, 처음에는 모든 사람이 받아들인 것은 아니었다. 분자가 상당히 커질 수 있는 유기 물질의 경우 배수 비례의 법칙이 보편적인 법칙이 아님을 보여주었다. 예를 들어, 올레산에는 탄소 216g당 수소 34g이 있고 메테인에는 탄소 216g당 수소 72g이 있다. 34와 72는 17:36의 비율을 형성하며 이는 작은 정수비가 아니다. 우리는 이제 탄소 기반 물질이 다른 원소가 형성할 수 있는 어떤 분자보다도 훨씬 큰 분자를 가질 수 있다는 것을 알고 있다. 올레산의 화학식은 C18H34O2이고 메테인의 화학식은 CH4이다. 배수 비례의 법칙 자체로는 완전한 증명이 되지 않았고, 원자론은 19세기 말까지 보편적으로 받아들여지지 않았다.
한 가지 문제는 통일된 명칭의 부족이었다. "원자"라는 단어는 더 이상 나눌 수 없다는 것을 의미했지만, 돌턴은 원자를 단지 원소나 물질 자체뿐만 아니라 모든 화학 물질의 궁극적인 입자로 정의했다. 이는 이산화 탄소와 같은 "화합 원자"가 "원소 원자"와 달리 분할될 수 있음을 의미했다. 돌턴은 "분자"라는 단어를 "축약형"으로 여겨 싫어했다. 아메데오 아보가드로는 반대로 행동했다. 자신의 저술에서 "원자"라는 단어를 피하고 "원소 분자"라는 용어를 사용하며 오직 "분자"라는 단어만 사용했다. 옌스 야코브 베르셀리우스는 세 개 이상의 원소를 포함하는 입자를 지칭하기 위해 "유기 원자"라는 용어를 사용다. 베르셀리우스는 이런 입자는 유기 화합물에서만 존재한다고 생각했기 때문이다. 장바티스트 뒤마는 "물리적 원자"와 "화학적 원자"라는 용어를 사용했다. "물리적 원자"는 온도와 압력과 같은 물리적 수단으로는 분할될 수 없는 입자였고, "화학적 원자"는 화학 반응으로는 분할될 수 없는 입자였다.
원자와 분자의 현대적 정의, 즉 원소의 기본 입자가 원자이고 원자의 집합체가 분자라는 정의는 19세기 후반에 확립되었다. 중요한 사건은 1860년 독일의 카를스루에 회의였다. 화학자가 모인 첫 국제 회의로서 그 목표는 학계에서 몇 가지 표준을 확립하는 것이었다. 원자와 분자 사이의 현대적 구분의 주요 지지자는 스타니슬라오 카니차로였다.
카니차로는 베르셀리우스와 같은 과거의 화학자가 특정 기체 원소의 입자는 실제로는 원자의 쌍이라는 것을 받아들이지 않아 특정 화합물 제형에 실수를 저질렀다고 비판했다. 베르셀리우스는 수소 기체와 염소 기체 입자가 단일한 원자라고 믿었다. 그러나 그는 수소 1리터가 염소 1리터와 반응할 때, 염화 수소 1리터 대신 2리터를 형성하는 것을 관찰했다. 베르셀리우스는 아보가드로의 법칙이 화합물에는 적용되지 않는다고 결정했다. 카니차로는 과학자가 단일한 원소 분자의 존재를 받아들이기만 한다면 그들의 발견한 불일치가 쉽게 해결될 것이라고 주장했다. 그러나 베르셀리우스는 그에 대해 가리키는 단어조차 없었다. 베르셀리우스는 단 하나의 원소만을 포함하는 기체 입자에 대해 "원소 원자"라는 용어를 사용했고, 두 개 이상의 원소를 포함하는 입자에 대해 "화합 원자"라는 용어를 사용했지만, 베르셀리우스는 H2의 존재를 믿지 않았기 때문에 H2와 H를 구별할 것이 없었다. 그래서 카니차로는 과학자가 수소 분자는 화학 반응 과정에서 두 개의 수소 원자로 쪼개질 수 있다는 것을 이해할 수 있도록 재정의를 요구했다.
원자론에 대한 두 번째 반론은 철학적이었다. 19세기의 과학자는 원자를 직접 관찰할 방법이 없었다. 그들은 돌턴의 배수 비례 법칙과 같은 간접적인 관찰을 통해 원자의 존재를 추론했다. 일부 과학자는 실증주의 철학에 부합하는 입장을 채택하여 과학계가 우주의 더 깊은 실재를 추론하려 시도하지 말고, 단지 직접 관찰할 수 있는 패턴만을 체계화해야 한다고 주장했다.
이 반(反)원자론주의자 세대는 두 진영으로 나눌 수 있다.
마르셀린 베르틀로와 같은 "등가론자"는 당량 이론이 과학적 목적에 충분하다고 믿었다. 이 프루스트의 일정 성분비 법칙의 일반화는 관찰한 결과를 요약했다. 예를 들어, 수소 1그램은 산소 8그램과 결합하여 물 9그램을 형성하므로 산소의 "당량"은 8그램이다. 에른스트 마흐와 빌헬름 오스트발트와 같은 "에너지론자"는 현실에 대한 가설에 전적으로 철학적으로 반대했다. 그들의 관점에서는 열역학의 일부인 에너지만이 물리적 모델의 기초가 되어야 한다고 생각했다.
이러한 입장은 19세기 후반에 일어난 두 가지 중요한 발전, 즉 주기율표의 개발과 분자가 그 속성을 결정하는 내부 구조를 가지고 있다는 발견에 따라 결국 해체되었다.
과학계는 일부 물질이 동일한 화학적 조성을 가지고 있지만 서로 다른 속성을 가진다는 것을 발견했다. 예를 들어, 1827년 프리드리히 뵐러는 플민산 은과 시안산 은이 모두 은 107부, 탄소 12부, 질소 14부, 산소 16부로 구성되어 있음을 발견했다 (우리는 이제 그들의 화학식이 둘 다 AgCNO라는 것을 안다). 1830년 옌스 야코브 베르셀리우스는 이 현상을 설명하기 위해 이성질체라는 용어를 도입했다. 1860년, 루이 파스퇴르는 이성질체 분자가 서로 동일한 원자 집합을 가지지만 다른 배열을 가질 수 있다고 가설을 세웠다.
1874년, 야코뷔스 헨리퀴스 판트호프는 탄소 원자가 다른 원자와 사면체 배열로 결합한다고 제안했다. 이를 바탕으로 그는 유기 분자의 구조를 설명하여 화합물이 가질 수 있는 이성질체의 수를 예측할 수 있었다. 예를 들어, 펜테인(C5H12)을 고려해보자. 판트호프의 분자 모델링 방식에서는 펜테인에 대해 세 가지 가능한 구조가 있었고, 과학계는 실제로 펜테인의 세 가지 이성질체만을 발견했다.
이성질체는 라디칼 이론이나 유형론과 같은 원자론에 대한 대안 이론으로는 완전히 설명할 수 없는 현상이었다.
멘델레예프의 주기율표.
드미트리 멘델레예프는 원소를 원자량 순서대로 나열했을 때 일정한 주기성을 띠는 것을 발견했다. 예를 들어, 두 번째 원소인 리튬은 아홉 번째 원소인 나트륨과 열여섯 번째 원소인 칼륨과 유사한 특성을 가졌는데 이는 7주기였다. 마찬가지로 베릴륨, 마그네슘, 칼슘도 유사했으며, 멘델레예프의 표에서 서로 7칸 떨어져 있었다. 이러한 패턴을 사용하여 멘델레예프는 나중에 자연에서 발견된 새로운 원소인 스칸듐, 갈륨, 저마늄의 존재와 특성을 예측했다. 또한, 주기율표는 한 원자가 다른 원소의 몇 개의 원자와 결합할 수 있는지를 예측할 수 있었다. 예를 들어 저마늄과 탄소는 표에서 같은 족에 있으며, 그 원자는 각각 두 개의 산소 원자와 결합한다(GeO2 및 CO2). 멘델레예프는 이러한 패턴이 원소가 원자량에 따라 분류될 수 있음을 보여주었기 때문에 원자론을 검증한다고 보았다. 주기 중간에 새로운 원소를 삽입하면 해당 주기와 다음 주기 사이의 평행성이 깨지고, 돌턴의 배수 비례 법칙도 위반될 것이었다.
주기율표의 원소는 원래 원자량이 증가하는 순서대로 배열되었다. 그러나 여러 곳에서 화학자들은 특정 인접 원소들의 위치를 바꿔서 유사한 특성을 가진 다른 원소와 같은 족에 나타나도록 했다. 예를 들어, 텔루륨이 더 무겁지만(127.6 vs 126.9) 아이오딘 앞에 배치되어 아이오딘이 다른 할로젠 원소들과 같은 족에 있을 수 있도록 냐열했다. 현대 주기율표는 원자 번호를 기반으로 하는데, 이는 핵 전하와 같으며, 이러한 변화는 원자핵의 발견을 기다려야 했다. 또한, 멘델레예프가 표를 고안했을 때 비활성 기체가 발견되지 않았기 때문에 현재 있는 표에서 마지막 행(18족)은 표시되지 않았다.
1738년, 스위스 물리학자이자 수학자인 다니엘 베르누이는 기체의 압력과 열이 모두 분자의 근원적인 운동으로 인해 발생한다고 가정했다. 베르누이의 모델을 사용하여 그는 일정한 온도에서 이상기체 법칙을 예측할 수 있었고, 온도가 입자의 속도에 비례한다고 제안했다. 이러한 성공은 당시의 새로운 미적분학 도구가 기체에 대한 연속적인 모델을 사용하여 더 많은 진전을 가능하게 했기 때문에 부분적으로는 계속 이어지지 못했다.
원자론의 열렬한 지지자였던 제임스 클러크 맥스웰은 1860년과 1867년에 운동 이론을 부활시켰다. 그의 주요 통찰은 기체 입자의 속도가 평균값을 중심으로 달라질 것이라는 점이었고, 분포 함수 개념을 도입했다. 1800년대 후반 루트비히 볼츠만은 원자 모델을 사용하여 운동 이론을 열역학, 특히 엔트로피와 관련된 두 번째 법칙에 적용했다. 볼츠만은 당시 에른스트 마흐나 빌헬름 오스트발트와 같은 주요 비판자, 즉 에너지가 현실의 기본량이라고 생각했던 에너지론자에 맞서 원자론적 가설을 옹호했다. 그러나 원자 모델은 열역학 이론의 발전에 필수적이지 않았다. 이는 1902년 조사이어 윌러드 기브스가 그의 저서 《통계 역학의 기본 원리》에서 통계역학을 도입했을 때 분명해졌다. 그의 새 접근법의 논리적이고 형식적인 발전은 원자 가설을 요구하는 것을 명시적으로 피했다. 알베르트 아인슈타인은 기브스와 유사한 접근법을 독립적으로 개발했지만, 완전히 다른 목표를 가지고 있었다. 아인슈타인은 운동 이론을 통해 원자 가설을 검증하는 방법을 찾고자 했다. 그는 결국 브라운 운동에 관한 논문으로 성공을 거두었다.
1827년, 영국 식물학자 로버트 브라운은 물에 떠 있는 꽃가루 입자 속의 먼지 입자가 겉으로 보기에는 아무런 이유 없이 계속 흔들리는 것을 관찰했다. 1905년, 아인슈타인은 이러한 브라운 운동은 물 분자가 끊임없이 알갱이를 때려서 발생한다고 이론화하고, 이를 설명하기 위한 수학적 모델을 개발했다. 이 모델은 1908년 프랑스 물리학자 장 바티스트 페랭을 통해 실험적으로 검증되었는데, 그는 아인슈타인의 방정식을 사용하여 원자의 크기를 측정했다.
전자의 발견.
원자는 1899년 조지프 존 톰슨이 음극선에 대한 연구를 통해 전자를 발견하기 전까지는 물질의 가장 작은 단위로 여겨졌다.
크룩스관은 두 전극이 진공으로 분리된 밀봉된 유리 용기이다. 전극에 전압을 가하면 음극선이 발생하여 관의 반대쪽 끝에 있는 유리에 부딪히는 곳에 빛나는 부분이 생긴다. 실험을 통해 톰슨은 이 광선이 전기장과 자기장의 영향으로 편향될 수 있음을 발견했는데, 이는 광선이 빛의 형태가 아니라 매우 가벼운 전하를 띤 입자로 구성되어 있으며, 그 전하는 음전하라는 것을 의미했다. 톰슨은 이 입자를 "코르푸슬"(corpuscles)이라고 불렀다. 그는 이들의 질량 대 전하 비율이 가장 작은 원자인 수소 원자보다 몇 자릿수 작다는 것을 측정했다. 이 비율은 전극의 재료나 관 안의 미량 기체 종류와 관계없이 동일했다.
이러한 코르푸슬과 대조적으로, 전기분해나 X선 복사에 의해 생성된 양이온은 전극의 재료와 반응 챔버 내 기체의 종류에 따라 질량-전하 비율이 달라져, 서로 다른 종류의 입자임을 나타냈다.
1898년, 톰슨은 이온의 전하가 대략 6 × 10−10 스탯쿨롬(2 × 10−19 쿨롱)임을 측정했다. 1899년 톰슨은 금속에 자외선이 비춰져 생성된 음전기(지금은 광전 효과로 알려져 있음)가 음극선과 동일한 질량 대 전하 비율을 가짐을 보여주었다. 그 후 이전에 이온의 전하를 결정하는 데 사용했던 방법을 자외선에 의해 생성된 음전기 입자에 적용했다. 이 결합을 통해 전자의 질량이 수소 이온의 0.0014배임을 보여주었다. 이 "코르푸슬"은 너무 가볍지만 너무 큰 전하를 가지고 있어서 톰슨은 이것이 전기의 기본 입자임에 틀림없다고 결론 내렸고, 이 때문에 다른 과학계는 이 "코르푸슬"을 1894년 조지 존스턴 스토니가 전기 기본 단위를 명명할 때 제안했던 전자라고 불러야 한다고 결정했다.
1904년, 톰슨은 새로운 원자 모형을 기술한 논문을 발표했다. 전자는 원자 내에 존재하며, 전기 전류 작용에서 사슬처럼 한 원자에서 다른 원자로 이동한다. 전자가 흐르지 않을 때 음전하는 논리적으로 원자를 전기적으로 중성으로 만들기 위해 원자 내의 어떤 양전하원과 균형을 이루어야 한다. 이 양전하원의 출처에 대한 단서가 없었기 때문에 톰슨은 양전하가 원자 전체에 퍼져 있으며, 원자가 구형이라고 잠정적으로 제안했다. 이는 사용 가능한 증거(또는 증거의 부족)에 가장 적합한 수학적으로 가장 단순한 모델이었다. 정전기력의 균형은 전자를 이 구 전체에 걸쳐 대체로 균일하게 분포시킨다고 생각했다. 또한 이온이 전자의 과잉 또는 부족을 가진 원자라고 설명했다.
톰슨의 모델은 전자가 양전하 구에 크리스마스 푸딩 속 건포도와 같은 밀도로 분포되어 있다는 생각에 기반하여 통칭 푸딩 모델로 알려져 있다. 하지만 톰슨이나 그의 동료는 이 비유를 사용한 적이 없다. 이는 대중 과학 작가의 착상인 것으로 보인다. 이 비유는 양전하 구가 고체와 같다는 것을 암시하지만, 톰슨은 이를 젤리에 비유했는데, 전자가 정전기력에 제어되는 패턴으로 그 안에서 움직인다고 제안했기 때문이다. 톰슨 모델의 양전하는 임시적인 개념이었으며, 궁극적으로 전자의 어떤 현상으로 설명될 수 있기를 바랐다. 그 당시의 모든 원자 모델과 마찬가지로 톰슨의 모델은 불완전했으며, 방출 스펙트럼과 같은 원자의 알려진 속성을 예측할 수 없었다.
1910년, 로버트 밀리컨과 하비 플레처는 기름방울 실험의 결과를 보고했는데, 이 실험에서 전자의 전하를 분리하고 측정했다. 수년간의 정밀한 측정 결과, 전하는 -4.774 × 10−10 esu로 나타났다.
원자핵의 발견.
톰슨의 플럼 푸딩 모델은 1911년 그의 전 학생 중 한 명인 어니스트 러더퍼드가 새로운 실험 데이터를 설명하는 새로운 모델이 제시하면서 도전을 받았다. 이 새로운 모델은 나중에 원자핵이라고 불리게 된 집중된 전하와 질량의 중심을 제안했다.
어니스트 러더퍼드와 그의 동료인 한스 가이거와 어니스트 마스덴은 알파 입자 (이들은 라듐과 같은 특정 방사성 물질에서 방출되는 양전하를 띤 입자이다)의 전하-질량비를 측정하는 장비를 만들려 했을 때 어려움을 겪으면서 톰슨 모델에 대해 의구심을 갖게 되었다. 알파 입자가 검출실의 공기에 산란되어 측정값을 신뢰할 수 없었다. 톰슨은 음극선 연구에서 비슷한 문제에 직면했고, 그의 장비에서 거의 완벽한 진공을 만듦으로써 이를 해결했다. 러더퍼드는 알파 입자가 전자보다 훨씬 더 많은 운동량을 가지고 있었기 때문에 같은 문제에 부딪히지 않을 것이라고 생각했다. 톰슨의 원자 모델에 따르면 원자 내의 양전하는 알파 입자를 편향시킬 만큼 충분히 강한 전기장을 생성할 정도로 집중되어 있지 않다. 그러나 산란이 발생했으므로 러더퍼드와 그의 동료는 이 산란을 주의 깊게 조사하기로 결정했다.
1908년부터 1913년 사이에 러더퍼드와 그의 동료는 얇은 금속박에 알파 입자 빔을 충돌시키는 일련의 실험을 수행했다. 그들은 90° 이상으로 편향되는 알파 입자를 발견했다. 톰슨의 모델에 따르면 모든 알파 입자는 무시할 만한 편향으로 통과했어야 했다. 러더퍼드는 원자의 양전하가 톰슨이 믿었던 것처럼 원자 전체에 분포되어 있지 않고, 중심의 작은 핵에 집중되어 있다고 추론했다. 또한 이 핵은 원자 질량의 대부분을 차지한다. 이렇게 강한 전하 집중이 높은 질량에 고정되어야만 관찰된 바와 같이 알파 입자를 편향시킬 만큼 충분히 강한 전기장을 생성할 수 있었다. 러더퍼드의 모델은 많은 과학자에게 익숙하지 않은 산란 데이터에 주로 의존했기 때문에, 닐스 보어가 러더퍼드의 연구실에 합류하여 전자를 위한 새로운 모델을 개발할 때까지는 널리 받아들여지지 않았다.
러더퍼드 모형은 알파 입자의 산란이 원자 전하의 제곱에 비례할 것이라고 예측했다. 가이거와 마스덴은 호일 재료(금, 알루미늄 등)의 원자량의 절반으로 전하를 설정하여 분석을 기반으로 했다. 아마추어 물리학자 안토니우스 반 덴 브록은 전하와 원자량 순서에서 원소의 숫자 배열 사이에 더 정확한 관계가 있다는 점을 지적했다. 이 배열 번호는 원자 번호로 불리게 되었고 주기율표를 정리하는 데 원자량을 대체했다.
보어 모형.
러더퍼드는 실험을 통해 원자핵의 존재를 추론했지만, 전자가 핵 주위에 어떻게 배열되어 있는지에 대해서는 언급하지 않았다. 1912년 닐스 보어는 러더퍼드의 연구실에 합류하여 원자의 양자 모델에 대한 연구를 시작했다.
1900년 막스 플랑크와 1905년 알베르트 아인슈타인은 빛 에너지가 양자라는 불연속적인 양으로 방출되거나 흡수된다고 가정했다. 이는 1910년 아르투어 에리히 하스의 원자 모형과 1912년 존 윌리엄 니콜슨의 양자화된 각운동량(h/2π)을 가진 원자 모형과 같이 일부 양자적 측면을 가진 일련의 원자 모형으로 이어졌다. 이 모델의 동적 구조는 여전히 고전적이었지만, 1913년에 보어는 고전적 접근 방식을 포기했다. 그는 자신의 보어 모형을 양자 가설로 시작했는데, 전자는 고정된 각운동량과 에너지를 가진 특정 원형 궤도에서만 핵을 공전할 수 있으며, 핵으로부터의 거리(즉, 반지름)는 에너지에 비례한다는 것이다. 이 모델에 따르면 전자는 연속적으로 에너지를 잃을 수 없었으며, 대신 고정된 에너지 준위 사이에서만 순간적인 "양자도약"을 할 수 있다. 이 경우, 빛은 에너지 변화에 비례하는 주파수로 방출되거나 흡수되었다(따라서 불연속적인 스펙트럼으로 빛이 흡수되고 방출됨).
세 편의 논문에서 보어는 자신의 모형을 기술하고 적용하여 수소 원자의 스펙트럼에서 발머 계열과 관련 He+ 스펙트럼을 유도했다. 그는 또한 이 모형을 사용하여 주기율표의 구조와 화학 결합의 측면을 설명했다. 이러한 결과들이 종합적으로 1915년 말까지 보어의 모형이 널리 받아들여지는 계기가 되었다.
보어의 모델은 완벽하지 않았다. 수소의 스펙트럼선만 예측할 수 있었고, 다전자 원자의 스펙트럼은 예측할 수 없었다. 더 나쁜 것은, 수소 스펙트럼의 모든 특징조차 설명할 수 없었다. 분광학 기술이 발전하면서 자기장을 가하면 스펙트럼선이 여러 개로 갈라지는 현상이 발견되었는데, 이는 보어의 모델로는 설명할 수 없었다. 1916년, 아르놀트 조머펠트는 추가적인 방출선을 설명하기 위해 보어 모델에 타원 궤도를 추가했지만 이 때문에 모델 사용이 매우 어려워졌고, 더 복잡한 원자는 여전히 설명할 수 없었다.
동위 원소의 발견.
방사성 붕괴 생성물을 실험하던 중, 1913년 방사화학자 프레더릭 소디는 일부 원소에 여러 종류가 있는 것으로 보인다는 것을 발견했다. 마거릿 토드가 이러한 종류에 적합한 이름으로 동위 원소라는 용어를 만들었다.
같은 해, 조지프 존 톰슨은 네온 이온 흐름을 자기장과 전기장을 통해 보내 반대편의 사진판에 부딪히게 하는 실험을 수행했다. 그는 사진판에서 두 개의 빛나는 얼룩을 관찰했는데, 이는 두 가지 다른 편향 궤적을 시사했다. 톰슨은 이것이 일부 네온 이온이 다른 질량을 가졌기 때문이라고 결론 내렸다. 이 다른 질량의 본질은 1932년 중성자의 발견으로 나중에 설명된다. 즉, 같은 원소의 모든 원자는 같은 수의 양성자를 포함하지만 다른 동위 원소는 다른 수의 중성자를 가진다.
양성자의 발견.