[비센의 재미있는 과학 이야기] 원자구조 1
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작성자 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 작성일15-01-17 18:26 조회2,157회 댓글0건관련링크
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최초의 원자 이론가인 데모크리스토와 원자를 기념한 그리스 우표
물질의 기본 이론을 알기 위한 인류의 끊임없는 노력
이 세상을 이루고 있는 기본 입자라는 것이 있을까? 만약에 있다면 그 기본입자라는 것은 무엇일까?
고대 그리스부터 지금까지 철학자와 과학자들의 가장 궁극적인 궁금증은 바로 이것이 아닐까 싶습니다.
철학자는 그들의 철학적 접근 방식대로, 과학자는 과학적 실험에 근거하여 지금까지도 그 기본입자들을 밝히고자 노력하고 있습니다. 물론 쿼크(quark), 글루온(gluon)과 같이 근래에 밝혀진 입자들에 대해서 이미 많이 들어보셨겠지만, 물질의 화학적 성질을 갖고 있는 입자중 가장 기본이 되는 입자는 바로 원자(atom)입니다. 그리고 놀랍게도 이 원자에 대한 가장 비슷한 가설을 처음으로 세운 사람은 고대 그리스의 철학자 데모크리투스(Democritus, BC460경 ~ BC360경)입니다.
데모크리투스는 소크라테스보다 한 세대 앞선 철학자로 소크라테스와 거의 비슷한 시기에 활동을 했는데, 그는 이 세상은 원자(atomus)라 불리우는 가장 작은 입자와 빈 공간으로 이루어져 있고, 그들이 합쳐지기도 하고 나눠지기도 하면서 다양한 물질들을 만들어 낸다고 이야기했습니다.
이는 현재의 원자모델과도 비교해도 크게 틀리지 않다고 할 수 있는데, 이러한 생각을 실험이 아닌, 단지 사고의 통찰력만으로 추론해 낼 수 있었다는 것은 충분히 놀라운 일이라 할 수 있습니다.
이후 오랜 시간동안 비과학적 방법으로 기본입자에 대한 이야기는 계속되었으나, 과학적 추론에 의해 접근된 원자에 대한 개념는 1800년대 초 영국의 과학자 존 달톤(John Dalton, 1766~1844)으로 넘어갑니다.
달톤은 당시 기체에 대한 연구로부터 알려진 질량 보존의 법칙, 일정 성분비의 법칙과 같은 기본 법칙들에 모순되지 않기 위해서는 원자(atom)라는 기본입자로 모든 물질이 구성되야 한다는 원자설을 발표합니다.
이 원자설에 따르면 더이상 쪼갤 수 없는 기본 입자인 원자가 존재하며, 동일 원소의 원자는 질량, 성질 등이 동일하고, 하나의 원자가 다른 원자로 전환될 수는 없다고 가설하고 있습니다.
존 달톤이 활동하던 1700년대 말에서 1800년대 초는 소위 잘못된 연금술사(alchemist)들이 납(Pb) 덩어리를 금(Au) 덩어리로 바꿔주겠다며 사기를 치는 일이 유행하던 시기로서 달톤은 그들에게 당하는 어리석은 지주들에게 “금은 금의 원자가 있고, 납은 납의 원자가 있으며, 이들의 원자는 변환이 불가능하기 때문에 납으로 금을 만드는 일은 불가능합니다. 그러니 그런 못된 사기꾼들에게 속지 마시기 바랍니다”라는 경고의 메세지를 주기 위해 원자설을 발표했다는 이야기도 있습니다.
달톤이 원자설을 제창한지 약 100년뒤 영국의 맨체스터에서 태어나 캠브리지 대학에서 공부하고 당시 물리학 연구의 중심이었던 캐번디시 연구소에서 물리학을 연구하던 조지프 존 톰슨(Sir Joseph John Thomson, 1856-1940)에 의해 원자 모형이 변화하게 됩니다.
당시 진공관내부에 강한 전압을 걸어주면 양 극을 연결하는 밝은 빛줄기가 진공관내에 생성되는 것을 발견한 톰슨은 많은 실험을 통해 이 빛줄기가 사실 실제 빛이 아니라 음전하를 띤 입자들의 흐름이라는 것을 발견하고 이를 전자(electron)이라고 명명합니다.
이 전자가 튀어나오는 극판은 순수한 금속으로 이루어진 얇은 판이기 때문에 금속원자로만 이루어져 있다고 볼 수 있는데, 그곳에 강한 전압을 걸어주면 전자라는 알갱이가 나온다는 것은, 결론적으로 그 ‘전자’라는 알갱이가 바로 원자에서 떨어져 나온, 즉 원자의 구성 입자라는 결론을 내리게 됩니다.
이제 원자로부터 더 작은 알갱이가 빠져 나온다는 것을 알게 된 이상 ‘더이상 쪼개지지 않는’ 달톤의 원자모형은 수정될 수 밖에 없는 것입니다. 그런데, 톰슨은 어떻게 실험을 해도 양전하를 갖고 있는 입자는 나오지를 않고 음전하를 갖고 있는 ‘전자’만이 떨어져 나온다는 자신의 실험 결과에 따라 원자란 바탕에 양전하가 옅게 퍼져있고, 그곳에 전자가 듬성듬성 박혀있는 형태를 갖고 있을 것이라 생각했고, 이 모양이 빵에 건포도가 박혀 있는 모습과 비슷하다고 하여 건포도빵 모델(Raisin Bun Model)이라고 이름붙였습니다.
톰슨의 많은 제자 중에 가장 부각을 나타낸 제자로 유명한 어니스트 러더포드(Ernst Rutherford, 1871~1937)가 있습니다.
뉴질랜드에서 태어나 영국의 캐번디시 연구소에서 톰슨의 애제자로 성장한 러더포드는 1898년부터 1907년까지 몬트리올의 맥길대학교(McGill University)에서 교수로 제직했고, 이곳에서 화학과의 프레드릭 소디교수와 함께 방사능 붕괴에 대한 많은 연구를 했습니다.
이후, 그는 1907년 맨체스터 대학의 교수로 다시 영국으로 돌아가게 됩니다. 러더포드는 방사능 붕괴를 일으키는 알파입자, 베타입자 등의 존재를 처음으로 밝힌 물리학자로서 핵물리학의 아버지라고 불리는 핵물리학의 거장입니다.
자신의 발견한 알파입자 붕괴 방사선을 이용해서 어떤 실험을 할 수 있을까 고민하던 중 그는 알파선을 이용해서 자신의 지도교수인 톰슨의 원자모델을 확인해 보려고 합니다.
처음 의도는 지도교수의 이론을 실험적으로 뒷받침해주기 위해서였던 것이지요. 알파입자란 헬륨의 원자핵으로서 강한 양전하를 띄는 입자입니다.
이는 전자 하나와 비교해서 약 7200배 정도 무거운 입자로 전자들 몇개가 앞을 가로막는다고 해서 알파입자가 크게 산란되거나 할 가능성은 거의 없습니다.
앞서 설명드렸듯이 톰슨의 모델에서 양전하는 전체 원자에 퍼져있기 때문에 그 세기가 상대적으로 크지 않고, 그곳에 건포도처럼 전자들이 듬성듬성 박혀 있지만, 알파입자에 비해 너무나 작은 먼지같은 존재이기에 원자들로 이루어진 얇은 박막에 알파입자를 쏘아준다면 박막을 통과한 후에도 알파입자는 궤도를 크게 바꾸지 않고 직진할 것입니다.
마치 창호지를 발라놓은 창틀에 농구공을 던져보면 농구공이 창호지를 뚫고 들어간다고 해서 크게 그 방향을 바꾸지는 않을 것이라는 것과 같은 이치입니다.
그러나 놀랍게도 실제 실험의 결과는 몇몇의 알파입자가 얇은 금속박막을 통과하면서 크게 산란되어 옆으로 튕겨나가버렸고, 러더포드는 이 결과를 처음 보았을 때를 자신의 논문에서 다음과 같이 회고했습니다.
“나는 얇은 종이막에 포탄을 쏘았는데, 종이막이 찢어지지 않고 포탄이 뒤로 튕겨져 나오는 것을 본 것처럼 충격에 휩싸였다.”
이 말에서 러더포드가 얼마나 그 결과를 예측치 못했는지를 알 수 있고, 또 러더포드로서는 이러한 결과를 본 이상 자신의 지도교수인 톰슨의 원자모델을 옳다고 이야기할 수 없게 된 것입니다.
그는 결과에 따라 강한 양전하를 띄는 알파입자가 이렇게 크게 산란된다는 것은 원자내부에 강한 양전하를 갖는 입자가 있다고 볼 수 밖에 없으며 이 입자를 원자핵(nucleus)라고 명명한다고 발표했습니다.
지도교수의 이론을 뒷받침하기 위해 실행된 실험으로 지도교수의 이론이 잘못되었음을 증명해버린 아이러니한 결과라 할 수 있었습니다.
이로서 원자모델은 톰슨의 건포도빵 모델로부터 중심에 원자핵이 위치하고 주변에 전자들이 태양주변의 행성들처럼 원운동을 하고 있다는 러더포드의 행성모델(Planetary Model)로 바뀌게 되었습니다.
하지만, 러더포드의 모델은 세상에 나오자 마자 많은 과학자들에게 집중포화를 받게 됩니다. 이유인 즉슨, 전자기학이론에 의하면 전하를 띈 입자가 원운동을 하면 전자기파를 외부로 방출하게 되기 때문에 자체의 에너지를 잃어버릴 수 밖에 없기 때문입니다.
러더포드 모델에 따르면 원자핵주변에서 음전하를 띈 전자들이 지구주변을 달이 돌듯이 궤도운동을 해야하는데 이렇게 궤도운동을 하면 전하를 띈 전자는 전자기파를 발산시킬 수 밖에 없고, 그럼 에너지감소에 의해 운동속도가 줄어들고, 궤도 반지름이 줄어들어 나선 모양의 궤도를 그리며 중심의 원자핵쪽으로 빨려들어가야만 하기 때문입니다.
즉, 러더포드의 모델은 실험 결과에 의해 가정되기는 했지만, 이론적으로 불가능한 문제점을 갖고 있었습니다.
이 문제를 해결해 낸 것은 바로 러더포드의 제자은 닐스 보어(Niels Henrik David Bohr, 1885-1962)입니다.
덴마크에서 태어난 보어는 러더포드가 맨체스터 대학에서 연구하던 시절 그의 대학원생으로서 사사를 받게 되는데, 그는 그의 친구인 요한 발머(Johann Jakob Baller,1825-1898)의 수소 스펙트럼에 대한 실험 결과에 착안하여 전자는 원자핵 주변에 정해진 에너지를 갖는 궤도에서만 존재가 가능하며 그 곳에서 안정상태의 궤도운동을 하면 에너지를 잃어버리지 않고 지속적인 궤도운동이 가능하다는 것입니다.
복잡한 물리학적 계산은 뒤로하고 쉽게 말씀드리자면 전자는 정해진 위치, 즉 에너지 레벨에서만 존재가능하다는 것이고, 이렇게 전자가 존재할 수 있는 지역이 띄엄띄엄 나뉘어져 있다, 즉 ‘양자화’되어있다라는 것이 현대 물리학의 근간인 ‘양자역학’이 시작되게 된 첫걸음이었습니다.
이렇듯, 고대 그리스의 데모크리투스부터 닐스 보어까지 약 2300여년의 긴 시간동안 지속된 사고와 실험을 통해 우리는 세상을 이루고 있는 기본입자에 한걸음 한걸음 다가갔으며, 현재도 원자 내부를 이루고 있는, 그리고 아직도 발견하지 못한 새로운 기본입자들을 찾아내기 위해 전세계의 과학자들이 노력을 하고 있습니다.
하지만, 여전히 한 물질의 화학적 성질을 갖고 있는 기본입자는 원자라 할 수 있고, 이 원자의 내부구조를 밝힌 보어의 원자모델을 이용해서 우리 주변에서 일어나는 많은 재미있는 현상들과 첨단 기술의 원리를 이해할 수도 있습니다. 겨울철이면 북부 캐나다에서 자주 볼 수 있다는 오로라 현상, 병원에서 진단을 위해 찍는 X-ray 등도 모두 이 원자구조에서 일어나는 물리적 현상과 응용이라 할 수 있습니다. 다음주 칼럼에서는 이러한 현상들이 보어의 원자구조와 어떤 상관관계를 갖는지에 대해서 설명드리도록 하겠습니다.
석준영 (비센학원장)
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