살살알려드림) [물질관] 보이지도 않는 원자의 생김새는 어떻게 알았을까? (3편)

 

 

근대에 이르러서

비로소 기나긴 4원소설의 지배가 끝났습니다.

 

과학적인 실험과 추론을 통해서

오늘날과 비슷한 개념들이 등장하게 되는데요.

바로 물질이 더 이상 분해할 수 없는

원소로 이루어져 있다는 사실을 알게 된 거죠.

 

그리고 이 과학이 더욱 발달하게 되면서 차츰

“도대체 이 원소라는 게 어떻게 생겼을까?”

이것이 궁금해지기 시작합니다.

 

원자론의 창시자로 불리고 있는 돌턴은 1803년에

‘모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 원자로 되어 있으며

원자의 종류에 따라 크기와 질량이 달라진다’는

[원자론]을 처음으로 주장했습니다.

 

그런데 지난 영상에서 제가 보일과 라부아지에도

원소의 개념을 주장했다고 말씀드린 바 있습니다.

이들도 모든 물질이 더 이상 분해할 수 없는 원소로 되어 있다고 주장을 했거든요.

 

그런데 왜 원자설이 돌턴이 처음으로 주장했다고 배우는 걸까요?

그 이유는 라부아지에가 제시한 원소의 개념을

실체를 갖는 입자 모델로서 정리한 과학자가 바로 돌턴이기 때문입니다.

 

무슨 말인가 하면

보일과 라부아지에는

원소가 실험적으로 더 이상 분해할 수 없는 물질이라고 규정했죠.

 

“실험을 해봤더니

산소나 수소 같은 물질은 더 이상 분해할 수가 없었어요.

왠지는 모르겠는데 이게 더 이상 분해가 안 되니까

물질을 이루는 근본이 아닐까요?

그런 의미로 이러한 것들을 원소라고 부르는 게 어떨까요?”

 

딱 거기까지였어요.

왜인지는 모르겠는데 여기서 더 이상 분해는 불가능하더라.

원소가 어떻게 생겼으며 왜 분해할 수 없는지까지는 설명하지 못했던 거죠.

 

돌턴은 그 이유가 바로

모든 원소가 같은 종류의 원자로 이루어져 있기 때문이라고 설명했습니다.

 

“아, 그러니까 사과더미에서 사과를 나눠도 항상 사과이듯이

원소를 분해해도 같은 원소인 이유가

바로 완벽하게 동일한 물질인 원자들의 모임이기 때문입니다.

그리고 이 원자는

아마 작은 공과 같은 모양으로 생긴 것 같아요.”

 

이렇게 원소를 원자라는 개념으로 명확하게 정리한 최초의 과학자가

바로 돌턴이었던 것이죠.

 

하지만 돌턴이 주장한 원자는

물리학적 관점에서는 입증이 불가능한 것이었기 때문에

이후로도 수십 년간 물리학자들 사이에서는

이 원자는 논란의 대상이었습니다.

 

1869년 독일의 과학자 요한 히트로프는

진공관 내부에서 두 금속 사이에 전압 차이를 걸어주게 되면

음극에서 양극으로 방출되는 어떤 빔을 발견했습니다.

바로 음극선이었죠.

 

지금은 쉽게 찾아볼 수 없는

옛날 브라운관 TV의 광원이, 바로 이 음극선이었는데요.

이 음극선의 정체가 무엇인지는 한동안 불명이었어요.

이때까지만 해도 원자설은 여전히 논란의 대상이었거든요.

 

그런데 1897년에 영국의 물리학자 톰슨은

음극선이 전기장의 영향으로 휘는 것을 발견합니다.

바로 음극선이 마이너스 전하를 띠는 입자라는 것을 규명한 것이죠.

 

추가로 전기장의 세기에 따라서

빛이 얼마나 휘는지를 계산해서 질량과 전하의 비를 측정했습니다.

그랬더니 이 입자들이

원자들보다도 훨씬 작은 질량을 갖고 있다는 것을 알아낸 것입니다.

바로 전자를 발견한 것이죠.

 

“제가 발견한 전자는 원자보다도 훨씬 질량이 작습니다.

그러니까 돌턴 선생님께서 제시하신

딱딱한 공 모양의 원자 모형은 잘못된 것 같아요.

실제로는 공 안에 마이너스 전하를 가진 전자들이

알알이 박혀 있는 구조일 것입니다.

마치 건포도가 푸딩에 박혀 있듯이 말이죠.”

 

이것이 바로 톰슨이 제시한 건포도 푸딩 모양의 원자 모형이었습니다.

이후 톰슨의 원자 모형은

그의 제자 러더퍼드에 의해서 금세 뒤집히게 됩니다.

 

이 당시에 우라늄에서

눈에 보이지 않는 무언가 강한 에너지를 지닌 입자가

방출된다는 게 발견되었고

이를 알파입자라고 부르고 있었습니다.(사실은 헬륨이온)

 

러더퍼드는 이 알파 입자가

물질을 통과할 때 어떤 일이 생길지 궁금했습니다.

그림과 같이 알파입자가 금속 막을 통과했을 때

얼마나 휘어질 수 있는지 알아보려 했던 거죠.

 

그러나 실험 결과는 정말 말도 안 되는 것이었습니다.

전혀 엉뚱한 방향으로 튀거나

심지어는 왔던 방향으로 튕겨서 되돌아오는 것을 관찰한 것입니다.

 

이게 얼마나 직관적으로 말이 안 됐냐 하면은

같은 공끼리 충돌하는 경우를 상상해 보면 알 수 있죠.

비슷한 질량의 물체에 충돌한 뒤에

이게 다시 되돌아오는 것은 상상하기 어렵습니다.

 

이를 두고 러더퍼드는

자신이 경험한 가장 놀라운 실험 결과였다고 말했는데요.

마치 종이에 대포를 쐈는데

포탄이 튕겨나온 셈이라고 비유를 했습니다.

 

이를 설명하기 위해서는

원자 속에 헬륨이온보다 무거운 무언가가 들어 있다는 뜻이었는데

톰슨의 모형에서는 설명이 불가능한 일이었죠.

 

러더퍼드는 수년간 고심 끝에 결론을 내릴 수 있었습니다.

“원자 내부는 사실 비어 있는 공간입니다.

그리고 원자의 중심에는

모든 질량과 플러스 전하가 한데 뭉쳐 있는 원자핵이 존재합니다.

마이너스 전하를 띠는 가벼운 전자는

그 주위를 날아다니고 있죠.

대부분의 알파 입자는 빈 공간을 그냥 통과했을 때지만

운이 나쁜 소수의 입자들이

자신들보다 훨씬 무거운 금속 원자핵과 부딪혀서 튕겨나간 것입니다.”

 

무거운 원자핵을 중심으로 가벼운 전자가 주위를 돌고 있는

러더퍼드의 원자 모형이 탄생한 것입니다.

 

우리가 일반적으로 생각하는 원자의 모양이

바로 러더퍼드의 실험을 통해 나온 것이죠.

이는 마치 무거운 태양을 중심으로

행성들이 돌고 있는

태양계의 모습이 연상되었으며,

미시세계에서 거대한 우주의 모습이 재현된다는 것이

정말 놀랍고 감동적인 결과였습니다.

 

그러나 러더퍼드의 원자 모형은

아주 심각한 이론적인 결함을 안고 있었는데요.

이에 대해서는 다음 영상에서 설명해 보겠습니다.