[과학] 원자 모형의 변천사ㅣ밸류체인타임스

이소율 인재기자
2024-05-25
조회수 1343


(출처:Wikimedia Commons)

[밸류체인타임스=이소율 인재기자] 러더퍼드는 대부분의 질량과 양전하가 매우 작은 부피 안에 집중되어 있다는 것을 발견했다. 금박 실험에서, 러더퍼드의 동료였던 한스 가이거와 어니스트 마즈든(Ernest Marsden)은 알파 입자를 얇은 금박을 통하여 쏘아 형광 스크린에 맞게 했다. 


전자 입자의 질량은 매우 작은 반면, 알파 입자의 운동량은 매우 크고 건포도 푸딩 모델에서 양전하는 넓게 퍼져 분포하므로 그 실험 결과 모든 알파 입자들이 휘거나 흡수되는 일 없이 직진할 것으로 생각됐다. 그중 일부의 입자는 매우 강하게 휘었다. 이 결과를 보고 러더퍼드는 원자의 태양계 모델을 생각하게 되었다. 이것은 이후 행성이 태양 주위를 도는 것과 같이 전자가 핵 주위를 돈다는 보어의 모형까지 이어졌다.


원자들은 쪼갤 수 없는 가장 작은 단위라고 생각됐지만, 1897년에 조지프 존 톰슨이 음극선을 연구하며 전자를 발견하면서 더 이상 그렇지 않다는 사실을 알렸다. 크룩스 관은 두 전극이 진공에 의해 분리되어 있는 봉인된 유리 용기다. 양쪽 전극에 전압이 걸리면 음극선이 발생하여 튜브 반대편의 유리 부분에 도달해서 빛나는 곳을 만든다. 


실험을 통해, 톰슨은 그 광선이 전기장을 걸어줌으로써 휘게 할 수 있다는 것을 알았다. 광선들이 파동이기보다는 음으로 대전된 입자로 구성되어 있다고 결론지었다. 그는 이 입자를 "미립자(corpuscles)"라고 불렀고, 이것은 나중에 다른 과학자에 의하여 전자로 변경됐다.


톰슨은 전자들이 전극의 원자들에게서 온 것이라고 생각했다. 원자를 더 쪼갤 수 있고, 전자들이 원자를 구성하는 요소라고 생각했다. 원자는 전기적으로 중성이기 때문에 그는 양전하 바다 또는 구름에 전자들이 떠다닌다고 생각했다. 이것이 ‘건포도 푸딩 모델’이다.


방사성 붕괴의 산물을 실험하면서 1913년 방사선화학자 프레더릭 소디는 각각의 주기율표에 하나 이상의 원소들이 나타나는 것을 관찰했다. 이런 원소들에 대한 적절한 이름으로 마거렛 토드(Margaret Todd)는 동위원소라는 새 낱말을 만들어냈다. 같은 해에, 조지프 존 톰슨은 양쪽 끝에 필름을 놓고 네온 이온을 자기장과 전기장에 흘려보내는 실험을 했다. 그는 양쪽에 빛나는 곳을 관찰했고, 그것은 두 개의 다른 궤도를 의미했다.


톰슨은 이것이 일부의 네온 이온이 다른 질량을 갖기 때문이라고 결론지었다. 이런 다른 질량의 성질은 나중에 1932년에 중성자가 발견되면서 해명됐다. 1918년에 어니스트 러더퍼드는 질소 기체에 알파 입자를 충돌시키고 수소 원자 핵이 기체에서 나오는 것을 관찰했다. 대부분의 알파 입자는 예상대로 금박을 거의 직진하여 통과했다. 톰슨이 제안한 ‘건포도 푸딩 모델’에서는 설명할 수 없는 현상이었다. 

(출처:Flickr)

러더퍼드는 수소 핵이 질소 원자의 핵에서 나온 것이라고 결론지었다. 나중에 어떤 원자의 양전하든지 수소 핵의 개수와 동등하다는 것을 알았다. 수소 원소가 가장 가벼운 원소라는 사실과 다른 모든 원소의 원자량이 대략 수소의 원자량의 몇 배라는 사실에서 그는 수소 핵은 한 개의 입자이며 모든 원자 핵의 기본적인 구성 요소라고 결론지었다. 이것이 양성자다. 


이후에 러더퍼드는 실험을 통해 대부분의 원자들의 핵 질량이 그것이 가진 양성자의 질량을 넘는다는 것을 알게 됐다. 그는 이런 잉여 질량은 지금까지 알려지지 않은 중성적인 입자에 의한 것이라고 추론했고, 시험적으로 ‘중성자’라고 불렀다.


중성자를 추출할 수 있는 것이 발견됐다. 처음에는 이 현상이 감마선이 금속에서 전자를 뽑아내는 것과 유사하여 이것이 높은 에너지를 가진 감마 방사선이라고 생각했다. 그러나 제임스 채드윅은 그 효과가 전자기 복사에 의한 것이라기에는 너무 강하다는 것을 알아냈다. 1932년에 그는 수소, 질소와 같은 많은 원소들을 미지의 “베릴륨 방사선”에 노출시켰다. 베릴륨이 방출하는 방사선이 주변 기체를 이온화시킨다. 


돌아오는 대전된 입자들의 에너지를 측정함으로써 그는 그 방사선이 전기적으로 중성이고 양성자와 같은 질량을 가진 입자들로 구성되어 있다고 추론했다. 중성자는 양성자와 함께 원자핵을 구성하는 주요 입자로, 원자핵 내에서 전기적 중성을 유지하며, 양성자들 사이의 강한 상호작용을 통해 핵을 안정화하는 역할을 한다. 이렇게 중성자를 발견한 업적으로 채드윅은 1935년에 노벨 물리학상을 받았다.


원자의 태양계 모형(보어 모형/러더퍼드-보어 모형)은 몇 가지의 단점이 있었다. 첫째로, 고전 전자기학의 라모 공식에 따르면 가속하는 전자는 전자기파를 방출한다. 궤도를 도는 전자는 점차 에너지를 잃고 핵을 향해 나선 궤도로 돌진하게 된다. 양자 이론은 20세기 초부터 막스 플랑크와 알베르트 아인슈타인이 빛의 에너지는 불연속적인 양으로 흡수되거나 방사된다는 것을 가정한 이후 물리학을 혁명적으로 바꾸었다.


1913년에 닐스 보어는 이런 아이디어를 보어 모형에 도입했다. 전자는 오직 정해진 각 운동량과 에너지를 갖는 특정한 준위의 궤도에만 돌 수 있고, 그들이 핵으로부터 떨어진 거리(반지름)는  그들의 상대적 에너지와 비례한다. 이 모형에서는 전자가 핵을 향해 나선으로 돌진하지 않는다. 


가정에 의해 전자는 돌면서 에너지를 잃지 않고 에너지 준위를 오르내릴 때에만 에너지의 출입이 일어나기 때문이다. 이 경우 에너지의 변화에 비례하는 진동수를 갖는 빛이 방출되거나 흡수된다. 그러므로 빛의 흡수와 방출이 불연속 스펙트럼을 이룬다.


보어의 원자 모델은 몇 가지 한계를 가지고 있었다. 수소와 같이 간단한 원자 시스템에 대해서만 정확한 예측에 성공했다. 복잡한 원자들의 스펙트럼을 설명하는 데는 실패했다. 전자가 특정 궤도에서만 에너지를 갖고 이동할 수 있다는 ‘양자화’ 개념을 도입했지만 이는 고전적인 물리 법칙과 모순되는 부분이 있었다. 전자의 정확한 공간적 위치를 예측할 수 없으며, 전자의 궤도가 원이나 타원인지에 대한 명확한 기술도 제공하지 못했다. 


(출처:Wikimedia Commons)

1923년에 루이 드브로이는 모든 움직이는 입자는 파동과 같은 성질을 띤다는 것을 제안했다. 에르빈 슈뢰딩거는 이 아이디어에 매료되어 움직이는 전자의 성질을 파동으로 설명해 보려 시도했다. 1926년에 발표된 슈뢰딩거 방정식은 전자를 점 입자가 아니라 파동함수로 기술한다. 그것은 보어 모델이 설명하지 못했던 많은 스펙트럼 현상을 훌륭하게 설명했다. 


비록 이 개념은 수학적으로 편리하지만 가시화하기 어려웠고 반대에 부딪혔다. 그 비판자 중의 한 사람인 막스 보른은 슈뢰딩거 방정식을 전자를 기술하는 것이 아니라 전자의 가능한 상태로 가정하여 핵 주위 주어진 위치 주변에서 전자를 찾을 확률을 계산하는 데 이용했다.


파동함수가 시간을 위치만큼이나 통합시키기 때문에 한 번에 주어진 지점에서 위치와 운동량을 동시에 아는 것이 불가능하다. 이것은 불확정성 원리로 알려져 있다. 이것은 보어 모형의 명확한 전자 궤도를 부정한다. 현대 원자 모델은 전자의 위치를 그것의 위치 가능성으로 기술한다. 


전자는 핵에서 떨어진 어떤 위치에서도 발견될 수 있다. 그렇지만 그것의 에너지 준위 때문에 핵 주변의 특정 영역에 존재할 확률이 더 높다. 이 패턴이 그것의 원자 궤도와 관련이 있다. 1932년 채드윅은 전하를 띠지 않는 중성자의 존재를 확인했고, 이로써 원자핵은 중성자와 양성자로 이루어진 것으로 수정됐다.


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