[Science Cookie] 대체 물질의 근원은 뭘까? - 양자역학 Part1

 

 

 

이 영상을 시작으로

'양자역학'이라고 하는 것이

정확히 무엇을 다루는 학문이며

어디에서 출발하였는지에 대해

그리고 도대체 왜 양자역학이라는 학문이

이해하기 어려운 것인지에 관한 이야기를

여러분께 하나 하나 들려 드리도록 하겠습니다.

 

 

맨 처음 인류가 등장했을 무렵

그러니까 어떻게든 악착같이 살아남아야 했던

그러한 시대를 지나

글을 읽고, 쓸 줄 아는 능력인 문명이 발달하게 되면서

인류는 자신들이 가지고 있는 문화유산을 기록이라는 형태를 통해

후대로 전달할 수 있는 능력을 가지게 됩니다.

 

참으로 다양했던 많은 생각들 중에

오늘 우리는 어떠한 하나의 생각에 집중할 건데요

바로 '이 세상을 이루고 있는 건 무엇일까' 에 관한 의문.

 

오늘은 바로 그러한 생각의 역사이자

양자역학 시리즈의 첫 번째 이야기

물질의 근원에 관한 의문에서 탄생된

과학적 발견의 역사 이야기를

과학쿠키와 함께 들여다보도록 하겠습니다.

 

물질을 근원에 관하여 가장 먼저 언급했다고 기록된 과학자는

기록된 기원전 600년경의 과학자, 탈레스입니다.

그는 만물이 물로 이루어져 있으며

물의 상태변화에 따라 모든 물질의 변화가 생성된다고 주장했습니다.

 

하지만, 기원전 360년경의 학자 아리스토텔레스는

자연에는 '원소'라고 불리우는 물질을 구성하는 기본요소가 있어서

그 요소는 '물', '불', '공기', '흙'의 4가지로 이루어졌다고 설명했죠.

 

한편, 동시대에 활동했던 데모크리스토스는

물질을 이루고 있는 가장 작은 단위인 원자가 있으며

이러한 원자들이 결합했다가 떨어졌다가 하면서

모든 만물의 형태가 만들어진다고 주장했습니다.

 

이 당시에는 아리스토텔레스의 4원소설이

압도적인 지지를 받고 있었기 때문에

데모크리토스의 원자론은 좀처럼 쉽게 받아들여지지 않게 되다가

르네상스 시대로 접어들 무렵의 물리학인

근세의 물리학의 발전에 지대한 영향을 미치게 됩니다.

 

그렇게 역사는 흐르고

물리학에서 물질의 운동상태에 관한 연구가 진행되고 있을 무렵

화학에서는 물질의 결합과 연소 전과 후의 상태

산화와 환원의 상태 등

물질의 상호작용에 관한 기작을 연구하고 있었죠.

 

프랑스의 화학자인 '앙투안로랑 드 라부아지에'는

물질의 연소를 연구하던 과정에서

물질은 생성되거나 파괴되지 않고, 단지 형태가 바뀔 뿐이라는

질량 보존의 법칙을 실험적으로 확립하게 되고

 

또 다른 프랑스의 화학자, 조제프 루이 프루스트에 의해

어떠한 화합물을 구성하는 원소들의 질량의 비는 항상 일정하다는 법칙인

‘일정 성분비의 법칙’을 주장하게 되면서

이 2가지 법칙에서 표현되는 원소의 특징을 통해

물질을 이루는 기본 단위에 관한 최초의 제안이 등장하게 되죠.

 

앞선 법칙들을 유심히 들여다 본

영국의 물리학자 존 돌턴은

물질을 이루고 있는 모든 원소는

그 양이 변하지도, 파괴되지도 않는 어떤 특정한 원소로 이루어져 있으며

그 원소들이 복잡하게 결합해 물질들의 구조를 이룬다는 주장인

'원자설'을 발표하게 됩니다.

 

이는 앞선 데모크리토스의 원자론과 매우 흡사한 주장이라고 볼 때

데모크리토스가 기원전 400에서 300년 사이에

그 고대에 얼마나 근대적인 발상을 했는지에 대해서

실감이 좀 되시나요?

 

이러한 돌턴의 주장을 통해,

드디어 과학계는 물질을 이루고 있는 기본 입자

'원자'에 관한 연구를 본격적으로 진행하게 됩니다.

 

1897년 영국의 물리학자인 J.J.톰슨은

크룩스 관이라고 부르는 실험기구에서 볼 수 있는

음극선을 통해 여러 실험들을 수행하게 됩니다.

 

여기서 잠시 크룩스 관에 대해서 간단하게 소개하자면

크룩스 관이란

동그란 유리 실린더 양쪽에 극판을 두어 강한 전압을 걸면

음극판에서 발생하는 알 수 없는 선(Ray)을 관측할 수 있도록 만든 실험장치를 말하는데요,

이 때 발생한 선(Ray)을 음극선이라고 불러서

음극선관이라고 부르기도 한답니다.

 

바로 이러한 음극선의 전자기적 특성을 통해

무려 음극선의 '질량 측정'에 성공하게 된 J.J톰슨은

음극선은 전자기파와는 다른, 전하를 띄고

질량을 가진 입자들로 구성된

그 무언가로 생각하게 됩니다.

 

여기서 음극선을 구성하고 있는 이 전하가 바로

'electron', '전자'라고 부르는 입자이지요.

 

톰슨은 이러한 '전자'가

만물의 기원인 원자로부터 비롯되었다고 생각했기 때문에

원자는 양전하를 띈 공간에 그 양전하의 양에 맞는 전자가

마치 푸딩 안에 콕콕 박혀있는 건포도 같다고 생각한

건포도 푸딩 모델을 제시하게 됩니다.

 

그러나 1909년, 톰슨의 제자 중 하나였던 과학자

어니스트 러더퍼드에 의해

톰슨의 푸딩 모형이 위기를 맞이하게 되죠.

 

러더퍼드는 그의 조교였던 한스 가이거와 함께

알파입자를 방출하는 시료를 통해

알파입자를 금박에 충돌시킨 뒤

금박 주위에 둘러쳐져 있는 필름을 통해

알파입자가 튕겨져 나온 위치를 측정할 수 있는 실험을 구상하게 되죠.

 

이 실험을 통해 상당히 흥미로운 결과가 도출되게 되는데요,

바로, 무겁고 강한 알파입자가

금을 이루고 있는 무언가에 부딪혀 튕겨졌는데

그 튕겨진 위치가 마치 단단한 벽에 부딪쳐 튕겨진 것처럼

입사된 방향의 반대 방향으로 진행한 알파입자가 존재했다는 것입니다.

 

이 실험 결과를 톰슨의 푸딩모형으로 비유하여 설명하자면

넓은 종이면에 야구선수가 공을 던졌는데

이 넓은 종이면이 뚫리기는 커녕

야구공이 날아왔는데 종이면에 튕겨져 나간

그런 상황인 것입니다.

 

왜 금속박을 종이면에, 알파입자를 야구공에 비유한 것인지

톰슨 모형을 통해, 그 이유를 간단히 알아볼까요?

 

톰슨의 푸딩 원자 모형을 다시 들여다보도록 합시다.

양전하는 원자 전체에 골고루 퍼져 분배되어 있으며

그에 해당하는 만큼의 전자가 콕콕 박혀있는 형태를 띠고 있습니다.

 

이렇게 되면, 양전하가 아무리 많더라도

맹렬하게 원자를 향해 날아가는 알파입자의 운동량을 고려한다면

약간 위 아래로 휠 수는 있을지언정

절대로 뒤로 튕기는 일은 없어야 합니다.

 

그렇기 때문에, 금속박을 이루고 있는 금 원자에 알파입자를 아무리 쏘아본들

거의 170도에 가깝게 뒤로 튕기는 일은 일어나서는 안 되는 것이죠.

 

그래서 등장한 아이디어가

러더퍼드 모형의 핵심 아이디어입니다.

러더퍼드는 톰슨 모형의 한계를 극복하기 위해

모든 전자의 전하량을 합친 만큼의 양성자가

알 수 없는 속박에 의해 한 점에 모여있는 형태를 고안하게 되고

바로 그 위치에 정확히 알파입자가 입사하게 된다면

양성자 점이 만드는 엄청난 반발력에 의해

이론상으로 입자를 뒤로 튕겨낼 수도 있는 일이 가능해지게 됩니다.

 

이를 양성자가 한 점에 모여 하나의 핵을 구성한다는

'러더퍼드의 원자핵 모형'이라고 부르며

이 실험을 계기로 '원자핵'이라는 개념이 처음으로 등장하게 됩니다.

이 모형에서 '원자핵'은 한 점에 모여있고,

주변부를 원자핵의 전하량과 일치하는 양의 전자가

궤도운동을 하고 있는 그러한 형태를 지니게 되죠.

 

그러나 이 모델은 커다란 약점을 가지고 있었습니다.

원자핵 주위를 전자가 빙빙 돌게 될 경우

움직이는 전자에 의해 필연적으로 발생하는 전자기파에 의해

결국 전자는 에너지가 점차적으로 소멸되어

에너지를 잃은 전자가 핵으로 점점 빨려 들어가

결국은 충돌하게 될 것이라는 약점을 말이에요.

 

이 문제와 함께 당시 실험물리학자들에 의해 실험적으로 드러난

수소원자의 선 스펙트럼 방출을 효과적으로 설명하기 위해

20세기 초에 활약했던

양자역학에서 절대 빼놓을 수 없는 인물인

닐스 보어에 의해 만들어진 '보어의 원자 모형'을 통해

러더퍼드의 궤도 문제가 잠정적으로 해결되고

또한 수소원자의 선 스펙트럼 문제도 해결되게 됩니다.

 

잠깐, 수소의 선 스펙트럼?

갑자기 뜬금없이 등장한 '수소의 선 스펙트럼'이라는 이 개념은 대체 뭘까요?

또 보어의 모형이 대체 어떠한 특징을 가지고 있길래

궤도운동을 하는 전자들이 에너지를 잃지 않을 수 있었던 걸까요?

 

자, 여러분, 저도 빨리 이 보어 모양의 특징에 대해서

여러분께 소개해 드리고 싶지만

그 전에 보어가 이러한 모형을 생각할 수 있도록 만들어 주었던

보어의 시대에 진행이 되고 있던

또 다른 과학사 이야기를 여러분께 소개하고 난 뒤

다시 이 보어 모형을 가지고 여러분께 소개해 드린다면

훨씬 더 보어 모형에 대해서

재미있고 쉽게 이해하실 수 있을 거라고 확신합니다.

 

그렇다면 보어 시대에 진행되고 있었던

또 다른 과학사의 이야기는 과연 무엇일까요?

그 이야기의 시작점은 빛의 본질에 관해서 따라가는 과학사의 여정

빛의 본질에 관한 이야기가 반드시 필요합니다.

'빛이 입자인가, 파동인가' 하는 이중성의 역사 말이에요.

 

양자역학 파트2에서는

바로 이중성의 역사와 보어 모형의 특징을 가지고

여러분을 찾아뵙도록 하겠습니다.