원자 모형

톰슨은 원자 안에 음전하를 띤 전자가 있다는 것을 알아내고, 양전하가 원자 전체에 고르게 퍼져 있고 그 속에 전자가 박혀 있는 모형을 제안했습니다. 원자가 전기적으로 중성이라는 사실은 설명되지만, 양전하가 어디에 어떻게 있는지는 확인된 바가 없었습니다.

러더퍼드의 알파 입자 산란 실험이 이 그림을 깼습니다. 얇은 금박에 알파 입자를 쏘았더니 대부분은 그대로 통과했지만, 극히 일부가 크게 휘거나 심지어 되튀어 나왔습니다. 양전하가 퍼져 있다면 이런 큰 반사는 나올 수 없습니다. 결론은 하나였습니다 — 원자의 양전하와 질량이 아주 작은 중심 한 점에 몰려 있다는 것, 즉 원자핵입니다. 원자 대부분은 텅 빈 공간입니다.

그런데 러더퍼드 모형에는 치명적인 결함이 있었습니다. 전자가 핵 주위를 원운동하면 계속 가속되고, 가속되는 전하는 전자기파를 내놓으며 에너지를 잃습니다. 그러면 전자는 나선을 그리며 핵으로 떨어져야 하고, 원자는 존재할 수 없습니다. 게다가 수소 기체에서 나오는 빛은 무지개처럼 연속적이지 않고 특정 파장에서만 선으로 나타납니다(선 스펙트럼) — 이것도 설명이 안 됐습니다.

보어는 '전자는 정해진 에너지를 가진 몇 개의 궤도에서만 존재할 수 있고, 그 위에서는 에너지를 잃지 않는다'는 가정을 넣어 두 문제를 한꺼번에 해결했습니다. 전자가 궤도 사이를 뛰어넘을 때 그 에너지 차이만큼의 빛이 나오므로, 스펙트럼이 선으로 나타나는 것도 설명됩니다. 물리에서 다루는 보어 원자 모형과 같은 내용입니다.

하지만 보어 모형도 전자가 두 개 이상인 원자에는 잘 맞지 않았습니다. 지금 우리가 쓰는 모형에서는 전자가 정해진 원을 도는 것이 아니라, 어디에 있을 확률로만 기술됩니다.