살살 알려드림) [물질관] 기존 물리학의 법칙을 산산히 깨부순 보어의 원자 모형 (4편)

 

 

초기에 원자는 딱딱한 공으로 여겨졌으나 [00:00],

톰슨의 전자 발견 이후 푸딩 모형이 제안되었습니다 [00:11].

러더퍼드는 알파 입자 산란 실험을 통해

원자핵 주위를 전자가 도는 모형을 제시했지만 [00:16],

이 모형은 이론적 모순을 가지고 있었습니다 [00:29].

러더퍼드 모형의 문제점은

전자가 움직이면서 전자기파를 방출해 에너지를 잃고

원자핵과 충돌할 수 있다는 점과 [01:17],

수소 원자의 선 스펙트럼을 설명할 수 없다는 것이었습니다 [02:19].

닐스 보어는 전자가 특정 궤도에서만

에너지 손실 없이 돌 수 있다는 가설을 제시하여

이 문제를 해결하고 [04:06],

수소 원자의 선 스펙트럼을 설명했습니다 [05:07].

보어의 원자 모형은 양자역학의 발전에 기여했으며 [05:34],

현대 표준 모형의 기초가 되었습니다 [05:55].

 

 

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원자설을 창시한 돌턴이

초기에 주장한 모형은 딱딱한 공 모양이었습니다.

그러나 톰슨이 음극선 가지고 장난치다가 ‘전자’라는 걸 발견했죠.

그리고 푸딩에 건포드가 박혀 있는 모양의 원자를 주장했어요.

그리고 그의 제자 러더퍼드는 알파입자 산란실험을 통해서

스승인 톰슨 뒤통수를 후려치고

원자핵 주위를 전자가 돌고 있는

우리에게 익숙한 이렇게 생긴 원자 모형을 주장합니다.

그런데 러더퍼드가 제안한 이 원자 모형이

사실 어딘가 좀 이상했던 거예요.

보면 볼수록 이론적으로 모순투성이였다는 거죠.

 

러더퍼드가 발견한 이 원자핵은

인류의 물질관에 있어서 굉장히 큰 도약이었습니다.

그저 딱딱하고 꽉 차 있을 것만 같은 눈앞의 이 물질들이

사실은 대부분이 텅 비어 있는 공간이라는 게

사실 일반적인 사고로는 생각하기 힘든 거잖아요.

 

이제 러더퍼드의 원자 모형을 다시 한번 들여다보겠습니다.

플러스 전하를 갖는 원자핵 주위를

마이너스 전하를 가진 전자가 회전하고 있습니다.

여기서 두 가지 문제가 발생합니다.

 

첫 번째 문제는)

전하를 가진 물체가 움직이면 전자기파라는 게 발생을 해요.

도선의 전류가 흐를 때

그 주위에 전자기장이 형성되는 것처럼 말이에요.

이는 맥스웰이라는 물리학자에 의해서

이미 한참 전에 이론으로 정립됐어요.

그리고 실험적으로도 아주 쉽게 확인할 수 있는 현상입니다.

 

그렇다면 전자가 원자핵 주변을 돌고 있다는 것은

그 주변을 향해 전자기파를 방출한다는 뜻이기도 하죠.

왜냐하면 전자는 - 전하를 띤 입자잖아요.

 

그리고 에너지 보존 법칙에 의해서

에너지를 방출했다는 건

자기 자신의 에너지를 그만큼 잃었다는 뜻이기도 하죠.

 

이게 사실이라면

시간이 지날수록 전자가 점점 자기가 가진 궤도 에너지를 잃고

결국에는 원자핵과 결합해 버릴 수밖에 없는 구조라는 건데요.

이것이 바로 러더퍼드의 원자 모형이 갖고 있던

치명적인 이론적 결함이었어요.

이 시나리오대로라면 우주의 모든 물질은

기본 구조가 순식간에 붕괴돼서 우리는 존재할 수도 없을 거니깐요.

 

두 번째 문제는)

바로 수소원자의 선 스펙트럼을 설명할 수 없었다는 거예요.

수소기체로 가득 차 있는 방전관에 전압을 걸어주면

수소기체에서 빛이 방출되는데요.

이 빛을 분산시켜 보면

다음과 같은 선 스펙트럼을 관찰할 수 있었어요.

 

이걸 보면 특정 파장

즉 특정한 에너지를 가진 빛들만 존재하는 것을 알 수 있는데요.

이게 정말 이상한 결과였던 거죠.

 

비유를 하자면

투수가 야구공을 던지고 수백 수천 번을 던졌는데

구속이 예를 들면 정확하게 120km, 140km, 160km

이 세 가지 구속만 찍힌다고 생각해 보세요.

실제로 현실에선 그렇지 않잖아요.

실제로는 뭐 135도 찍히고, 141도 찍히고

그 사이에 어떤 값이라도 찍힐 수 있는 게 현실이죠.

즉 구속이 연속적으로 분포하는 것이 현실적이라는 거죠.

 

그런데 희한하게 전자가 방출하는 에너지는

불연속적으로 분포한다는 것입니다.

이건 그 당시에 굉장히 이상한 일이었거든요.

이런 식으로 나오는 이유는 아무도 몰랐던 거예요.

러더퍼드의 원자 모형과 고전 역학으로는 설명할 수 없는 현상이었죠.

 

-자 첫 번째 문제인 전자의 궤도 에너지 소실 문제

-그리고 방금 말한 두 번째 문제인 수소 원자의 선 스펙트럼을 설명할 수 없는 문제

과연 이 두 가지 문제를 어떻게 극복했을까요?

 

자, 이제 드디어 현대 물리학에서

가장 중요한 인물로 손꼽히는 [닐스 보어]가 등장합니다.

 

물리학이 현대로 넘어오면서 가장 큰 도약 두 가지를 꼽자면

단연코 아인슈타인의 [상대성이론]

그리고 보어의 [양자역학]이라고 할 수 있습니다.

그만큼 과학사를 통틀어서 중요한 인물인데요.

 

보어는 전자가 원자와 합쳐지지 않고

궤도를 유지하는 이유를 설명하기 위해서

다음과 같이 주장합니다.

 

“전자는 특정한 궤도에서만

에너지의 손실 없이 원자핵 주위를 돌 수 있습니다.

이처럼 안정적인 궤도를 ‘정상 상태’라고 해요.

그리고 전자는 다른 궤도로의 전이를 통해서

에너지를 흡수 및 방출합니다.”

 

정상 상태? 이게 뭘까요?

이건 기존에 존재하지 않던 새로운 개념을 만들어낸 겁니다.

관찰 결과를 설명하기 위해서

아예 그냥 새로운 개념을 도입해 버린 거예요.

 

당연히 이러한 해석은

당시에 많은 물리학자들한테 비판을 받았습니다.

고전 물리학의 법칙을 위배하는 가설이기도 했고

그리고 이러한 가설을 주장한 보어 자신도 사실

왜 이렇게 되는지는 설명할 수 없었거든요.

 

“어떻게 그럴 수 있냐?”라는 질문에

“그냥 자연이 원래 그런 거다”라는 답변밖에 할 수 없었던 거예요.

 

하지만 중요한 거는

보어의 원자 모형이

이전에 그 누구도 설명하지 못했던

수소 원자의 선 스펙트럼을 깔끔하게 설명했다는 거죠.

 

보어가 주장한 전자의 움직임은

펼쳐놓으면

마치 정상파와 흡사해서

궤도의 둘레가 파장의 정수배가 되는 형태였고

이를 통해서 계산한 에너지가

실제 관측된 선 스펙트럼의 파장 영역 대와

너무나 잘 맞아떨어졌던 거예요.

 

전자는 분명히 입자인데

이런 정상파와 비슷한 모양을 나타낸다는 사실에

많은 과학자들이 반발하기도 했지만

이후에 양자역학의 시대가 본격적으로 열리면서

전자가 파동처럼 행동할 수도 있다는 사실이 증명되어 버립니다.

보어의 접근 방법이 옳았다는 것이 밝혀진 거죠.

 

보어의 원자 모형은 이를 기반으로

한 오비탈 이론을 탄생시켰고

지금의 표준 모형에 이르게 됩니다.

 

 

지금까지의 영상들을 통해서

우리는 가장 오래된 질문 중의 하나인

“만물은 무엇으로 이루어져 있는가?”

즉 물질관에 대해서

고대 그리스의 철학자들의 주장부터

현대 물리학에서의 원자 모형에 이르기까지

다양한 변천사를 살펴봤습니다.

 

흥미롭게 보셨나요?

이 영상 시리즈를 준비하면서

문득 현대의 표준 모형도

훗날의 인류에게는 톰슨이나 러더퍼드의 모형처럼

그냥 거쳐 가는 한 시대의 이론일 수도 있겠다

그런 생각이 듭니다.

 

혹시 이전의 영상들을 아직 보지 못하셨다면

제 유튜브 채널에 재생목록으로 따로 만들어 두었으니까

정주행하시면 아마 많이 유익하실 겁니다.

감사합니다.