[비센의 재미있는 과학 이야기] 원자 구조 2
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작성자 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 작성일15-01-25 01:22 조회3,073회 댓글0건관련링크
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분리된 것 처럼 보이는 세상 모든 것들, 서로 연결되어 있어
원자는 원자핵과 전자들, 그리고 그보다 더 작은 입자들로 쪼개어 질 수 있다고 하더라도, 물질의 화학적 특성을 유지하는 가장 작은 단위로서 화학적 기본입자라는 중요한 의미를 갖습니다. 이러한 원자의 구조는 지난 칼럼에서 설명드린 바와 같이 달톤의 원자설, 톰슨의 건포도 빵 모델, 러더포드의 행성 모델을 거쳐 닐스 보어의 양자화된 에너지 준위 모델로 변화하며 오랜 기간의 실험과 이론적 계산을 통해 실제 원자구조에 한걸음씩 근접해 왔습니다. 19세기초에 완성된 보어 모델은 중심에 원자핵이 위치하고 그 주변에 전자들이 존재가능한 에너지 준위, 즉 위치가 있으며 그 곳에만 전자들이 존재할 수 있다는 설명입니다.
보어가 이러한 원자구조를 밝힐 수 있었던 데에는 스위스의 한 여학교의 과학교사로 재직중이던 야콥 발머(Jakob Balmer, 1825-1898)의 수소원자에서 나오는 선스펙트럼의 발견이 결정적 역할을 담당했습니다. 발머는 수소 기체에 온도를 높여 고온 상태로 만들면 기체로부터 4개의 각기 다른 색깔을 띄는 가시광선이 방출된다는 사실을 발견하고, 이 스펙트럼의 파장을 계산해 본 결과 이 파장값들이 일련의 배수관계를 갖는 값이라는 것을 알게 되었습니다. 그리고 이 값들은 수소 원자의 어떤 특이한 구조에 의해 결정된 값일 것이라고 생각했으나 그 이상의 접근은 하지는 못했습니다.
1912년 코펜하겐의 분광학 전문가인 한센(H. M. Hansen)으로부터 이러한 발머 파장값들의 의미에 대해서 설명해달라는 부탁을 받으면서 처음으로 보어는 발머의 발견을 접하게 되고, 당시 원자구조에 대해 고민하고 있던 보어는 단번에 이 숫자들이 원자 구조의 비밀을 풀 수 있는 열쇠가 될 것이라는 것을 알아본 것입니다.
전자는 정해진 에너지준위에만 존재가 가능하고 각각의 에너지 준위 차이에 해당하는 에너지를 흡수하게 되면 낮은 에너지영역에서 높은 에너지영역으로 올라갈 수 있게 되지만, 그곳에 계속 있을 수 있는 것이 아니라 짧은 시간 내에 다시 낮은 에너지 영역으로 돌아오게 되는데, 이때 해당하는 에너지 차이만큼을 밖으로 방출시켜야 다시 낮은 에너지영역으로 돌아올 수 있게 된다는 것입니다. 이 때 방출되는 에너지를 검출한 것이 발머의 선스펙트럼에 해당하며 이 에너지는 수소 원자 고유의 에너지 준위간의 차이에 해당하기 때문에 정해진 값을 갖는 빛만이 방출된다고 해석함으로써 자신의 원자구조에 대한 고민과 발머의 선스펙트럼의 의미를 동시에 설명해 낼 수 있게 되었던 것입니다.
사실 이렇게 수소원자에서 방출되는 빛은 가시광선만 나오는 것은 아니고, 에너지 준위의 차이에 따라 더 큰 자외선이나 적외선도 방출되어 나오는데 이들은 육안으로 보이지 않기 때문에 발머의 선 스펙트럼보다 나중에 발견되었습니다. 물론 이러한 비가시광선 영역의 스펙트럼도 보어의 전자 에너지 준위에 대한 설명에 정확히 맞어 떨어지면서 보어의 원자모델을 뒷받침해주게 됩니다.
이러한 원자내 전자의 에너지 준위는 원자의 종류에 따라 고유값들로 정해져 있기 때문에 원자에 강한 에너지를 주고 그로부터 방출되는 스펙트럼의 값들을 따져보면 샘플에 들어있는 원자의 종류가 무엇인지를 알아낼 수 있습니다. 즉, 원자로부터 방출되는 선스펙트럼값은 각 원자들 고유의 지문과 같은 역할을 담당할 수 있습니다. 가끔 과학 수사대가 등장하는 드라마나 영화를 보면 범죄현장에서 채취해온 샘플을 어떤 기계에 집어넣고 분석을 하고선, 그 결과를 보고 그 샘플의 구성원소가 무엇인지를 찾아내는 장면이 나오는데, 이런 분석이 샘플로부터 나오는 선스펙트럼값을 측정하여 고유 원자구조의 에너지 준위차를 분석하여 원소의 종류를 찾아내는 방법인 것입니다.
우리가 병원에서 진단을 받기 위해서 찍는 가장 보편적인 의료영상인 X-ray도 이러한 전자의 에너지 준위간 움직임에서 방출되는 파장을 이용하는 것입니다. X-ray 발생장치에는 양극에 크로미움(Cr), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등의 금속판을 연결하고, 이 금속판에 강한 전압을 걸어주면 전기 에너지를 전달받은 전자들이 높은 에너지 준위로 올라갔다가 다시 낮은 에너지 준위로 되돌아 오면서 전자기파를 방출하는데, 이는 수소의 발머스펙트럼의 발생 원리와 동일한 원리입니다. 단지 이들 금속원자는 그 크기가 수소에 비해 매우 크기 때문에 에너지 준위간 차이도 그 만큼 커서 가시광선보다 에너지가 높은 X-ray가 방출되는 것 뿐입니다. 이것이 가능한 이유는 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감사선 등은 모두 단지 에너지의 정도 차이를 갖고 있을 뿐 모두 동일한 전자기파(Electromagnetic Radiation)이기 때문입니다.
겨울에 북극과 남극지방에서 자주 목격되는 오로라 현상도 동일한 현상에 의한 자연의 신비한 연출입니다. 이러한 현상은 원래 연중 항상 일어나지만, 하늘이 어두운 밤에 더 잘보이기 때문에 밤이 상대적으로 긴 겨울에 자주 목격되는 것 뿐입니다. 이 현상은 태양 플레어 등으로 인해 태양에서 방출된 전기에너지를 띈 입자들이 극지방에서 지구의 자기장에 의해 끌려서 지구 대기권내로 들어오면서 지구 대기내의 기체 원자들과 충돌하게 되고, 이 충돌로 에너지를 받게 된 원자내의 전자들이 에너지 준위간을 이동하면서 가시광선을 방출해 내는 것입니다. 이때 공기층 내부의 기체 원소의 종류에 따라 다른 파장의 가시광선이 나오게 되고, 이에 따라 각각 다른 색깔의 광선들 방출되어 형형색색의 신기한 무늬를 하늘에 만들게 되는 현상입니다. 이 원리를 역으로 이용하면 오로라 현상에서 보여지는 색이 어떤 색 계열이 강한가에 따라서 어떤 원소의 기체들과 반응을 한것인지를 추적하여 해당 공기층의 성분들의 분포율을 계산할 수도 있습니다.
이렇듯 우리 주변에 많은 현상들은 서로 전혀 관련이 없어 보이는 것이지만, 그 속에는 동일한 자연의 근본적인 원리에 의해서 일어나는 것들이 매우 많습니다. 순수과학은 이러한 숨은 연결고리를 찾아내어 자연의 숨어있는 근본적인 법칙들을 찾아내는 학문입니다. 전혀 관계없어 보이는 것들이 사실 동일한 원리에 의해서 일어나는 것이라는 것을 알아냈을 때, 장막으로 덮혀있던 것들이 서서히 들어나면서 숨은 연결고리를 찾아내었을 때의 그 벅차오르는 희열이 오늘도 많은 과학자들을 골방의 연구실로 잡아 이끄는 힘일 것입니다. 나무에서 사과가 떨어지는 것과 달이 지구주변을 돌아가는 것이 만유인력이라는 하나의 법칙에 의해서 일어나는 다른 현상일 뿐이라는 것을 처음 알아냈을 때 뉴튼의 기분이 어떠했을지 생각만 해서 짜릿한 기분이 들지 않으시나요?
석준영 비센학원장
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