Dalton은 실험실에서 얻은 화학적 관찰 결과에 근거하여 원자에 관한 연구의 결론을 얻어냈다. 연구 결과를 발표한 달턴은 물론이고, 그를 지지하던 사람들도 그 이후 100년 동안 원자의 존재에 대한 직접적인 증거를 제시하지는 못하였다. 그러나 오늘날에는 원자 하나하나를 관찰할 수 있는 매우 좋은 성능의 실험 기기가 있으며, 실제로 그 원자들의 모습을 이미지로 볼 수도 있다.
물질의 특성을 연구하는 다양한 실험적 방법이 개발되면서, 더 이상 쪼개지지 않는다고 생각되었던 원자가 훨씬 복잡한 구조로 되어 있다는 시렇ㅁ적 결과가 나타나기 시작하였다. 오늘날 우리는 원자가 쪼개지지 않는 입자가 아니며, 더 작은 이원자 입자로 이루어져 있다는 사실을 알고 있다. 현대적인 원자 구조 모형을 요약하기 전에, 이 모형이 정립되기까지의 역사적 발견들을 간략히 살펴본다. 원자는 양전하 또는 음전하르 ㄹ띤 전하 입자로 구성되어 있다는 것을 알게 될 것이다. 현대적 원자 모형의 발전 과정을 이해하기 위해서는 전하르 ㄹ띤 입자 간의 상호작용에 대한 이해가 필요하다. 즉 같은 전하를 띠는 입자들은 서로 밀어내고, 다른 전하들을 띠는 입자들은 서로 끌어당긴다.
캐소드선과 전자
1900년대 중반에 진공관을 이용하여 전기 방전에 대한 연구를 시작하였다. 높은 전압을 걸어 주면 관 내부에서 방사선이 생긴다. 이 방사선은 -극에서 방출하기 때문에 캐소드 선이라고 부른다. 캐쏘드 선 자체는 볼 수 없지만 특정 물질에서 형광을 발생시킴으로써 검출할 수 있다.
캐쏘드선은 마치 음전하의 흐름처럼 전기장이나 자기장에 의해 굴절되는 것이 실험적으로 관찰되었다. 영국의 과학자 톰슨은 캐쏘드선이 특성이 -극 물질의 종류와 관계가 없음을 확인하였다. 톰슨은 1897년에 발표된 논문에서 캐쏘드선의 음전하를 띠는 입자의 흐름이라고 결론지었다. 이 논문의 결과는 전자의 발견으로 인정되고 있다.
톰슨은 +극에 뚫려진 구멍으로 전자살이 통과할 수 있는 캐쏘드선관을 고안하였다. 전기적으로 충전된 판과 자석을 캐쏘드선과 수직이 되게 배열하고, 관 끝에는 형광 스크린이 놓여 있는 구조이다 전기장은 전자살을 한쪽으로 굴절되게 하고, 자기장은 반대 방향의 굴절이 일어나게 한다. 톰슨은 전기장과 자기장의 세기를 조절하여 전자가 직선으로 형광 스크린에 충돌하도록 하였다. 전기장과 자기장의 세기를 측정하여 전자의 전하량의 질량의 비가 1.76*10^8 C/g임을 알 수 있었다.
일단 전자의 전하-질량비의 값을 알게 되었으므로, 전자 1개에 대한 전하 또는 질량을 측정하면, 다른 양을 쉽게 구할 수 있게 되었다. 1909년에 Chigago 대학의 Robert Millikan이 실험을 통하여 전자의 전하량을 측정하는 데 성공하였다.
방사능
1896년에 프랑스 과학자 헨리는 우라늄 화합물을 연구하던 중, 고에너지의 방사선이 자발적으로 방출되는 것을 발견하였다. 이 자발적 방사선 방출을 방사능이라고 한다.
러더퍼드는 알파 선과 베타 선이 빠르게 움직이는 입자로 되어 있음을 증명하였다. 실제로 베타 입자는 고속 전자이고, 캐쏘드선관에서 방출되는 방사선에 해당한다고 할 수 있다. 베타 입자는 양으로 하전된 관속으로 이끌린다. 알파 입자는 양전하를 가지며, 마이너스 극판으로 이끌린다. 베타 이자는 전자의 전하 단위로 -1의 전하를 가지고, 알파 입자는 +2의 전하를 가진다. 각각의 알파 입자는 전자의 7400배 정도의 질량을 가진다. 또한 감마 방사선은 엑스선과 유사한 높은 에너지를 가진 방사선이고, 입자로 구성되어 있지 않고 전하도 띠고 있지 않다.
원자핵 모형
원자는 더 작은 입자로 구성도어 있다는 사실이 실험적으로 입증됨에 따라 그 입자들이 서로 어떻게 배열되어 있는지에 대한 관심이 집중되었다. 1900년대 초에 톰슨은 원자 질량에서 전자의 비중이 매우 낮으므로 전자는 원자 내에서 작은 부분만을 차지할 것이라고 설명하였다. 또 원자는 양전하가 균일하게 분포한 구형 물질이고, 여기에 전자들이 박혀 있다고 제안하였다. 영국 사람들이 즐겨 먹는 후식에서 이름을 따온 이 플럼푸딩 모형은 그리 오래가지 못하였다.
러더퍼드는 알파 입자가 원자 수천 개 정도 두께의 얇은 금박을 통고할 때에 산란되거나 반사되는 각도를 연구하고 있었다. 그는 거의 모든 입자들이 반사되지 않고 금박을 통과하고 매우 적은 수의 알파입자만이 단지 1도 정도 휘는 것을 발견하였으며 이는 톰슨의 플럼 푸딩 모형과 일치하는 결과였다. 러더퍼드는 이르 ㄹ또다시 확인하기 위하여 실험실에서 일하는 학부학생에게 큰 각도 산란 실험을 하도록 하였다.
러더퍼드는 원자핵 모형이라는 가설로 그의 실험 결과를 설명할 수 있었다. 이 모형에서 금 원자가 가지는 대부분의 질량과 모든 양전하는 크기가 매우 작고 밀도가 극도로 높은 원자핵이라는 곳에 모여 있다.또한 원자 부피의 대부분은 빈 공간이며, 그 빈 공간에서 전자가 핵 주위를 움직이고 있다고 가정하였다. 알파입자 산란 실험에서 대부분의 알파 입자들은 금박을 구성하는 원자들의 빈 공간을 통과할 뿐이다
