원자 모형과 그 변천 과정에 대한 고등학생들의 이해 조사

Abstract

본 연구에서는 원자 모형과 그 변천 과정에 대한 고등학생들의 이해를 알아보기 위해 개념 검사지와 면담을 사용하여 원자 모형의 변천 과정과 근거 실험에 대한 이해와 원자핵과 전자 모형에 대한 인식을 알아보았으며 현대 원자 모형과 오비탈에 대한 이해를 조사하였다. 개념 검사는 서울 소재 예술고등학교에서 화학Ⅰ을 배우고 있는 1학년 135명을 대상으로 실시하였고 검사지 문항은 총 15문항으로 대부분 선택형 문항이고 마지막 한 개 문항은 서술형으로 구성되었다. 면담은 개념 검사지 응답자 중 16명을 선정하여 실시하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 크게 세 부분으로 나누어진다. 첫 번째 부분은 원자 모형의 변천 과정과 근거 실험에 대한 것이다. 첫째, 근거 실험의 결과는 대체로 잘 알고 있었지만 근거 실험의 과정에 대한 이해에서 어려움을 나타내었다. 음극선 실험에서는 실험에서 나타난 과학적 현상과 실험에서 사용된 조건에 대해 알지 못했고 알파 입자 산란 실험에서는 실험 결과에 대한 근거를 이해하지 못했다. 수소 원자 스펙트럼에 대해 특히 어려워했는데 스펙트럼의 선과 파장과 에너지의 관계, 스펙트럼의 선과 전자의 에너지 준위 차이의 관계, 에너지 불연속 등을 이해하지 못했고, 스펙트럼의 선을 원자의 입자로 생각하는 경우가 많았다. 둘째, 원자 모형의 근거가 된 실험에서 사용된 용어에 대해 바르게 이해하지 못하고 있었다. 음극선 실험에서는 주로 전기와 관련된 용어를 이해하지 못했고 보어 원자 모형과 수소 원자 스펙트럼에서는 ‘주양자수’에 대한 이해가 특히 부족했다. 셋째, 실험의 발견 사실과 원자 모형과의 관련성과 한계에 대해 제대로 이해하지 못하고 있었다. 근거 실험에서 발견한 사실을 기존 원자 모형으로 설명하지 못하는 한계점을 세 개의 실험에서 모두 설명하지 못했으며 수소 원자 스펙트럼에서는 실험의 새로운 사실과 새로운 원자 모형인 보어 원자 모형과의 관련성도 이해하지 못하고 있었다. 두 번째 부분은 원자를 구성하는 입자인 원자핵과 전자의 모형에 대한 학생들의 인식에 대한 것이다. 원자핵과 전자 모형에 대한 학생들의 인식을 조사한 결과 원자핵과 전자의 전기적인 성질에 대해서는 잘 이해하고 있었다. 그러나 원자핵의 모양에 대해서는 ‘구형’ 또는 ‘포도송이 모양’으로 인식하고 있었으며, 전자의 모양에 대해서도 ‘구형’으로 인식하는 경우가 많았다. 모양에 대한 인식은 주로 교과서의 모형 그림과 관련 설명에서 많은 영향을 받고 있었다. 교과서의 모형 그림에 대해 한계를 인식하지 못하고 모형을 대상의 실제 모습으로 신뢰하는 학생도 있었다. 세 번째 부분은 현대 원자 모형과 오비탈에 대한 것이다. 첫째, 현대 원자 모형에 대해 대부분의 학생들은 전자의 위치와 속도를 동시에 정확히 알 수 없고 전자가 발견될 확률만 알 수 있다고 답했다. 그러나 전자의 존재 확률 밀도함수를 나타내는 오비탈에 대해서는 정확하게 이해하지 못했으며 오비탈이 함수라는 것과 오비탈이 어떻게 만들어졌는지 인식하지 못하고 추상적이고 어려운 개념으로만 받아들였다. 둘째, 오비탈의 모양을 나타내는 점밀도 그림에서 전자가 발견될 확률밀도의 의미를 이해하지 못하고 있었다. ‘확률’과 ‘밀도’의 각각의 개념은 알고 있었지만 ‘확률밀도’의 의미를 이해하지 못하고 있었고 ‘함수’의 개념을 모르는 경우도 많았다. 이로 인해 오비탈 점밀도 그림의 점들을 실제 전자로 인식하거나 전자가 존재하는 분포로 생각하려는 경향이 강했다. 셋째, 오비탈에서 전자가 가지는 에너지에 대한 이해가 많이 부족했다. 이로 인해 전자배치를 오비탈의 에너지와 연결지어 생각하지 못하고 암기한 규칙에 따라 기계적으로 수행하는 것으로 나타났다. 전자가 가지는 에너지에 대해 보어 모형에서와 같이 원자핵과의 거리와 연관시켜 생각하였고 오비탈의 모양이 그려져 있을 때에는 전자가 위치한 오비탈 공간으로부터 전자의 에너지가 결정된다고 생각하고 있었다. 면담 과정에서 질문에 답하며 주요 개념에 대한 올바른 개념 변화를 보인 경우도 있었다.;The purposes of this study were to investigate the students’ understandings of the historical changes of atomic models and their causal experiments, the electric charge tyes and shapes of atomic nucleus and electron, and the modern atomic model and orbitals. The subjects were 135 students of 9th grade in a high school and the conceptual questionnaires and interviews were used. The conclusion of this study consists of three parts. The first part is in respect to the historical changes of atomic models and their causal experiments. Firstly, the students have difficulties in understanding the procedures of experiments which caused the atomic model changes. They could not understand the scientific phenomena and conditions used in cathode ray experiment and grounds of results in alpha-particle scattering experiment. They especially have difficulties in understanding the spectrum of the hydrogen atom. They could not understand the relationship among spectrum lines, wavelengths and energy, as well as spectrum lines and electronic energy differences, and the energy discontinuity. They often misunderstood spectrum lines as atomic particles. Secondly, the students could not understand the terms used in the experiments correctly. They could not understand some terms related to electricity in the cathode ray experiment. Especially, they did not have enough comprehensions about the principle quantum numbers in the hydrogen atom spectrum and the Bohr’s atomic model. Thirdly, the students could not recognize the relations and discrepancies between the facts found from the experiment and the atomic model at that time. They could not explain the reason why the atomic model did not match with the facts newly discovered in the experiment. Also they could not understand the relationship between the facts newly discovered in the spectrum of hydrogen atom and the new atomic model, the Bohr’s atomic model. The second part is in respect to the electric charge types and shapes of atomic nucleus and electron. The students knew well about the charge type of nucleus and electron. But they did not recognize the limits of model concerning with the shapes of tiny particles. They thought the shape of the nucleus as a spherical shape or a bunch of grapes and frequently recognized the shape of electron as a spherical shape or unknown shape. They were mainly influenced by some model pictures and related information in their textbook. They did not know limits of the model pictures in the textbook and some of students even trusted them as real shapes. The third part is in respect to the modern atomic model and orbitals. Firstly, most of students said that it is impossible to know the location and velocity of an electron exactly at the same time except the probability of presence of electron. But they could not correctly understand an orbital as a function of probable density of presence of electrons. They did not recognize an orbital is a function and could not imagine how it was made. They thought it is abstract and difficult to understand. Secondly, the students did not know that the pictures of atomic orbitals drawn with dots is to indicate the probability density of finding the electrons. They knew the meaning of probability and the meaning of density separately, but did not understand the exact meaning of probability density. Even some of them did not know the concept of function. Thus they inclined to believe the dots in the orbital picture as real electrons or distribution of electrons. Thirdly, the students did not have enough understandings of the energy of electron in an orbital. Because of it, they drew the electronic configuration mechanically according to their memorized rules without thinking the orbital energies. They believed that the energy of electron was relevant with the distance from nucleus like the Bohr’s model. When the picture drawn two orbitals in an atom was shown, the students thought that the energy of electron at a certain position was determined by which orbital that electron belonged. Some students showed desirable changes toward right understandings conceptually through the interviews.