위키독:원자 모형 변천사

원자 모형 변천사

돌턴 → 톰슨→ 러더퍼드 → 보어 → 양자역학

원자

원자, atom의 어원은 atomos로써 부정을 뜻하는 그리스 접두어 'a-' 에 자르다라는 뜻의 'temnein'이 붙어서 만들어진 신조어였다. 즉 더 이상 자를 수 없는 어떤 것을 가리키는 말로 쓰였던 것이다. 이것이 고대 프랑스로 흘러들어가 atome으로 쓰다가 마침내 영어의 atom으로 자리잡게 되었다.

'세상을 이루는 어떤 작은 것'이라는 이 개념은 실험적으로 증명되어 쓰이는 것은 아니었다. 단지 철학과 신학적 추론에 의해 관념적으로 사용했으며 19세기, 물리학이 원자의 존재를 증명할 때까지는 상상 속의 존재였다. 심지어 원자가 존재한다는 증거가 나왔을 당시에도 이 개념을 믿지 않는 사람들이 다수 존재했었다.

처음에 원자는 단순히 "쪼갤 수 없는" 공 같은 것으로 생각되어져 왔으나 현재는 다양한 원자 모형을 거쳐 양자역학에서 말하는 '전자구름' 모델로 굳혀진 상태이다. 현재 가장 많이 쓰이고 있는 (심지어 이 위키의 메인에도 쓰이고 있는) 모형은 러더퍼드의 모델이며 현재는 '틀린' 모델이다. 하지만 대표적인 5개의 원자 모델 중 가장 멋지기 때문에 모든 곳에서 잘 쓰이고 있다. 어찌나 멋진지 러더퍼드 모형은 원자 모델을 넘어 과학 그 자체를 상징하는 심볼로서도 작용하고 있는 지경이다.

원자 모형 변천사

현재까지 원자 모델은 위의 그림과 같이 5개가 있다. 위쪽의 4개는 틀린 것으로 판명 났으며 현재는 양자역학 모델을 쓰고 있다.

그리고 이 중간중간에 이들 모델을 만드는데 도움을 준 몇가지 이론이 있었다.

대표적으로 1827년의 브라운 운동이 있다. 로버트 브라운이 현미경으로 물 위에 떠있는 먼지 입자들이 불규칙적으로 움직인다는 것을 발견하여 원자들이 이 먼지들과 충돌하기 때문에 이들이 이러한 움직임을 보인다고 하였다. 이는 1905년 아인슈타인의 세 가지 논문 중 하나인 브라운 운동에도 실려있다. 아인슈타인은 브라운 운동에서 입자가 나타내는 속도와 움직임을 통계물리학적으로 계산하여 원자의 질량과 크기를 예측한 바 있다. 그리고 프랑스 물리학자인 진 페린은 아인슈타인의 논문을 인용하여 원자의 질량과 크기를 실험적으로 결정함으로써 마침내 돌턴의 원자론을 실험적으로 입증하였다.

여담으로 아인슈타인의 세가지 논문 중 나머지는 『광량자가설』과 그 유명한 『특수 상대성이론』이다. 이 중 광량자가설은 태양광발전과 디지털 카메라의 원리에 잘 쓰이고 있으며 특수 상대성이론에서 발전한 일반 상대성이론은 GPS의 원리에 아주 잘 쓰이고 있다.

또한 1904년에는 한타로 나가오카라는 과학자가 태양계이론을 주장하여 러더퍼드가 행성궤도 모델을 세우는데 도움을 주기도 했다.

대표적인 원자 모델을 간단히 요약하면 다음과 같다.

모델	그림	특징
돌턴 1803	파일:/api/File/Real/59d868b91a9409144ab2c7b2	당구공 모델. 가장 단순하다.
톰슨 1904	파일:/api/File/Real/59d869571a9409144ab2c7b8	건포도 푸딩 모델. 푸딩은 +, 건포도는 -전하이다.
러더퍼드 1911	파일:/api/File/Real/59d869db1a9409144ab2c7be	행성궤도 모델. 원자핵의 발견으로 인해 이렇게 수정되었다.
보어 1913	파일:/api/File/Real/59d86a251a9409144ab2c7c3	행성궤도 모델 2. 러더퍼드와 비슷하지만 최소 궤도가 있다는 점이 다르다.
양자역학 1926	파일:/api/File/Real/59d86a901a9409144ab2c7c7	전자 구름 모델. 전자의 위치를 '확률적'으로만 추정 가능하다는 모델이다.

돌턴의 당구공 모델, 1803년

이 사람의 원자 모델은 중학교 과학교과서에 등장한다. 그간 두루뭉술하게 철학적으로 추정만 했을 뿐인 원자라는 개념을 처음으로 과학의 영역으로 끌어들어온 장본인이기도 했고, '일정 성분비의 법칙'을 설명하는데 돌턴의 원자설만한게 없기 때문이기도 하다. 일정 성분비의 법칙이란 1799년 프랑스의 루이 프루스트가 발견한 것으로 한 화합물을 구성하는 각 성분 원소들의 질량비가 일정하다는 법칙이며 돌턴이 원자설을 만드는데 도움이 된 법칙이다.

돌턴이 실제 원자들을 분류하면서 썼던 기호들이다.

하지만 돌턴 시대때의 관측장비로는 원자를 도저히 관찰할 수 없었기에 어디까지나 '원자가설'이라고 불린다. 돌턴이 원자설을 주장한 근거는 질량 보존의 법칙과 일정 성분비의 법칙에 위배되지 않는 새로운 법칙을 찾기 위해서 였다.

돌턴은 다음과 같은 원자설을 주장했다.

1. 모든 물질은 원자로 이루어져 있다.

2. 같은 원소는 같은 크기와 질량, 성질을 가진다.

3. 원자는 더 이상 쪼개질 수 없다.

4. 원자는 다른 원자로 바뀔 수 없드며 없어지거나 생겨날 수 없다.

5. 화학반응은 원자와 원자의 결합 방법만 바뀌는 것으로, 다른 원자로 바뀌지 않는다. 따라서 질량이 보존된다.

그런데 현재 원자론은 돌턴의 5가지 원자설 중 3개가 잘못된 것이라고 설명한다.

먼저 원자는 양성자, 중성자, 전자 등으로 쪼개질 수 있다. 또한 핵분열과 핵융합으로 얼마든지 다른 원자로 바뀔 수 있으며, 동위원소들은 성질은 비슷하나 질량이 다르다.

이 단순한 당구공 모델은 관측장비의 한계로 이후 약 100년간 굳건히 그 자리를 지켰다.

톰슨의 건포도 푸딩 모델, 1904년

당구공처럼 아무 특징도 없는 원자모형이 변화한데는 전자라는 것을 발견했기 때문이다. 물리학자 J.J. 톰슨은 음극선의 질량을 측정한 결과 입자같지만 가장 가벼운 원자인 수소보다 1800배 가벼운 것을 발견했다.

진공 유리관 양 끝의 전극을 설치하고 수천 볼트 정도의 높은 전압을 걸어주면 -에서 +로 향하는 어떠한 빛이 나오는데 이를 음극선이라고 한다. 그리고 이것이 전하를 띠는지 알아본 결과 + 전하쪽으로 휘는 것을 발견하고 음극선의 입자가 - 전하를 띤다고 주장했다. 이것이 바로 전자로 곧 전류를 운반하는 입자라는 것을 깨닫게 된다. 그리고 -로 대전되어 있는 전자가 원자에 계속 붙어 있는 이유를 설명하기 위해 건포도 푸딩 모델을 제안하게 된다. + 전하와 - 전하가 정확히 상쇄되어 원자가 안정적일 수 있다는 것이다. 하지만 곧 이 이론은 러더퍼드의 실험에 의해 깨지게 된다.

러더퍼드의 행성 궤도 모델, 1911년

러더퍼드는 물리학계의 유명한 실험을 통해 원자 안에 핵이 있다는 사실을 예견한다.

흔히 러더퍼드의 알파입자 산란실험이라고 알려져 있지만 정식명칭은 가이거-마스덴 실험이라고 한다. 러더퍼드의 지시에 따라 실제 실험을 시행한 인물이 한스 가이거와 어니스트 마스덴이었기 때문. 가이거는 가이거 계수기를 만든 그 사람이 맞다.

알파입자는 + 전하를 띠고 있다. 톰슨의 원자모델이 맞다면 알파입자는 아래 그림과 같이 금박의 원자들을 통과하여 그대로 직진할 것이다.

하지만 실제 실험 결과는 아주 적은 확률로 튕겨나오는 입자들이 있었고 이를 설명하기 위해 + 전하가 아주 좁은 공간에 뭉쳐 있다는 행성 궤도 모델을 주장하게 된다. 여담으로 이 실험결과에 놀란 러더퍼드가 "이것은 마치 휴지에 대포를 쐈는데 대포알이 튕겨서 나오는 것을 보는듯한 충격이었다."라고 말한 것은 물리학에서 꽤 유명한 일화이다.

그리고 러더퍼드의 모델 중에는 다음과 같은 그림이 있는데 엄밀히 말하면 틀렸다.

러더퍼드의 모델은 1911년, 그리고 중성자의 예견은 1920년, 그 질량이 측정된 것은 1935년, 채드윅과 그의 학생 모리스 골드 하버에 의한 것으로 러더퍼드가 최초로 그의 모형을 제안했을 때는 중성자는 아예 생각조차 못하던 때였기 때문이다. 그의 최초의 모델은 + 전하로 이루어진 핵이 전부였다.

그리고 한동안 이 예쁜 모델이 원자 모델로 자리잡았다. 그런데 물리학자 보어가 이 모델의 문제점을 주장하면서 이 모델에 대한 대대적인 수정이 불가피해졌다.

보어의 원자 모델 또는 러더퍼드-보어 모델, 1913년

보어는 자신의 원자 모델을 통해 전자 궤도가 양자화 되어 있다고 주장했다.

쉬운 말로 바꾸면 세상이 아날로그가 아니라 디지털 방식으로 되어 있다는 것이다. 그리고 원자의 세상에 순간이동을 도입하였다. 이를 양자도약이라고 하며 이 기가 막힌 생각은 양자역학이라는 학문을 만드는데 큰 기여를 한다.

보어가 주장한 문제점은 원자 모델 그 자체였다. 만약에 러더퍼드의 모델이 옳다면 세상의 원자들은 그 즉시 붕괴해야 한다는 사실을 계산해낸 것이다.

원자핵의 중심을 회전하는 전자는 가속운동을 하고 있으므로 (원운동은 가속운동이다.) 계속해서 에너지를 잃어갈것이고 그렇게 되면 그 궤도 반경이 점점 줄어들어 원자핵에 충돌하여 곧 붕괴될 것이라는 것이었다. 보어의 계산에 따르면 이 구조가 붕괴되는데에는 10^-8초가 채 걸리지 않는다고 한다. 다른 말로 하면 세상이 붕괴되는데에 10^-8초도 걸리지 않는다는 소리이다. 보어는 이러한 붕괴를 막기 위해 물질파 개념을 응용하여 최소 궤도라는 것을 생각하게 된다.

전자가 절대로 못 내려가는 최소 궤도라는 게 있다는 것이 보어의 핵심 주장이다. 그리고 에너지를 받으면 더 높은 궤도로 '순간이동'하고, 에너지를 방출하면 낮은 궤도로 순간이동 한다. 이것을 양자도약이라고 하며 이때 나오는 전자기파가 우리 눈에 '빛'의 형태로 보이는게 되는데 이것이 바로 '빛'의 정체이다.

여담이지만 보어가 생각했던 최소궤도는 어마어마한 중력의 힘으로 상쇄가능하다. 엄청난 중력으로 인해 붕괴된 별, 중성자별이 바로 보어의 최소 궤도이든 파울리의 배타원리이든 다 무시한 존재이다. 흔히 티스푼으로 중성자 별의 물질을 하나 뜬다면 이 무게가 지구의 산 하나의 무게와 맞먹는다는 표현으로 이 별을 표현하곤 한다.

보어가 주장한 이 모형은 곧 자리를 잡았고 모든 실험 결과와 잘 맞았기에 당시 사람들은 더 이상은 원자 모형이 변하지 않을 것이라고 낙관적인 예측을 하였다. 사실상 20세기는 워낙 과학이 빠르게 발전하여 물리학이 완성되었다고 표현할 정도였다. 하지만 문제는 생각지도 못한 곳에서 터졌다. 슈뢰딩거의 고양이로 유명한 그 슈뢰딩거가 한 방정식을 고안해내면서 아원자세계에 '확률'이라는 개념이 들어왔기 때문이었다.

양자역학적 모델, 1926년

물리학자가 극도로 혐오하는 예측불가능한 '확률'이라는 개념이 드디어 원자모델에 들어오게 되었다. 물론 통계물리학으로 어느정도 확률이 예측되지만 정확하지가 않다는 점이 당시 물리학자들을 두려움에 떨게했다.

이제 전자는 더 이상 정확한 시간에 정확한 곳에 있지 않고 그 자리에 있을 확률로 계산되었으며 이 확률분포는 곧 전자구름이라는 개념으로 나타나게 된다. 그리고 각 원자들마다 각각의 '오비탈'을 따라 전자가 분포하게 되는 것이다.

다음의 동영상은 주기율표에 따른 오비탈을 나타낸 것이다.

빛 뿐만 아니라 전자 또한 입자와 파동의 성질을 동시에 가지고 있기 때문에 가능한 것으로 그 근거는 슈뢰딩거 방정식이 가지고 있다. 뉴턴의 F=ma와 마찬가지로 양자역학의 세계에서는 아주 기본적인 방정식이지만 매우 어려운 개념을 담고 있다. 단순한 대수 방정식인 뉴턴의 그것과는 다르게 모든 것을 파동함수로 보는 선형 편미분 방정식이기 때문이다.

\ psi (t) \ rangle}

여담으로 슈뢰딩거는 이 방정식에서 중요한 개념인 '파동함수'의 절대치의 제곱이 입자를 발견할 확률이라는 타 물리학자의 해석에 분노하여 '슈뢰딩거의 고양이'를 개발하게 된다. 그러니까 슈뢰딩거의 고양이는 양자역학을 설명하기 위한 것이 아니라 자신의 방정식에 대한 다른 물리학자의 해석이 틀렸다는 것을 보여주기 위해 개발한 사고 실험이다.

슈뢰딩거의 분노와 다르게 양자역학의 세계에선 슈뢰딩거의 고양이가 실제하는 현상이라는 것이 밝혀졌고 그의 이론으로 인한 원자 모형은 지금까지 계속이어지고 있다.