[박종진의 과학 이야기] 원자의 얼개

박종진

물질의 가장 기본 단위가 원자라는 생각은 기원전 5세기경 그리스의 데모크리스토스로부터 시작되었다. 그는 소크라테스와 거의 같은 시기에 활동했던 철학자인데 우리 눈에 모이는 모든 사물을 아주 작게 쪼개면 결국 원자가 된다고 했다. 이 세상은 그런 원자가 이리저리 모여서 산도 되고 사람 몸도 이룬다는 엄청난 생각이다. 물론 관찰과 실험을 통하지 않은 철학적 이론이었지만 그 당시 그런 생각을 했다는 것 자체가 놀랍다.  
 
18세기가 끝나갈 무렵 영국의 존 돌턴이 원자설을 발표하여 근대 화학의 기초를 만들었다. 물론 나중에 과학이 발달하면서 그의 이론은 수정되었다.  
 
그는 원자를 더는 쪼갤 수 없다고 했는데 얼마 후에 원자핵 속에서 양성자와 중성자가 발견되었고, 원자는 절대로 다른 원자로 바뀔 수 없다고 했는데 핵분열이나 핵융합으로 다른 원자로 바뀌었으며, 원자의 질량은 보존된다고 했는데 화학적 성질은 같고 물리적 질량이 다른 동위원소가 발견되었기 때문이다.  
 
1897년 영국의 조지프 톰슨은 음극선이 음전하의 흐름이라는 사실을 알아냈다. 톰슨이 음극선을 연구하다 발견한 미립자에 나중에 전자라는 이름 붙여졌다. 원자는 전기적으로 중성이기 때문에 양의 전하를 갖는 몸체 속에 음의 전하를 갖는 전자가 곳곳에 분포해있는, 마치 건포도가 여기저기 박혀있는 빵처럼 생겼을 것이라고 원자 모형을 추측했다.
 

그 당시 톰슨의 제자였던 어니스트 러더포드는 알파선을 연구하고 있었다. 알파선은 전자보다 약 8,000배나 무거웠기 때문에 원자에 쏘이면 모든 것을 밀어버리고 그냥 지나칠 것으로 생각했지만, 혹시나 원자 속에 무엇인가 있지 않을까 생각해서 그 일을 자신의 제자였던 한스 가이거에게 시켰다.  
 
만 번 시도하면 한 번 있을까 말까 한 지루한 실험이었지만 충직한 제자는 만사를 제쳐두고 매달린 결과 알파선이 무엇인가에 맞아 튀어나오는 일을 목격했다. 양전하를 가진 알파선을 밀어냈으니 그것 역시 양전기를 띤 큰 덩어리였을 것으로 생각했다. 그렇게 원자는 중앙에 양전하를 띤 무엇인가 있고 그 주위에 음전하를 띤 전자가 분포한다는 원자 모형을 상상했다.  
 
한스 가이거는 나중에 방사능을 탐지하는 가이거 계수기를 발명하여 스승만큼 유명해졌다. 러더포드의 원자 모형은 원자 전체의 무게와 거의 맞먹는 양전하 덩어리가 원자 중앙에 위치하고 그 주위를 음전하를 띤 전자가 돌고 있으며 그사이의 공간은 진공이다. 몇 년 후 덴마크의 물리학자 닐스 보어는 그 양전하 덩어리에 원자핵이라는 이름을 붙였다.
 
1913년 닐스 보어가 원자는 그 중앙에 원자 질량의 거의 모두를 차지하는 원자핵이 있고 그 주위를 상대적으로 가벼운 전자가 마치 행성이 태양 주위를 공전하는 것처럼 자신만의 특정 궤도를 돌고 있을 것으로 추측했다.  
 
러더포드에 의해서 확립된 우리 태양계를 닮은 원자 모형을 보어는 전자의 궤도가 불연속적인 점에 착안하여 양자역학이란 그 당시 좀 엉뚱한 이론으로 발전시켰다. 그러므로 전자는 특정한 위치가 없으며 원자핵 주위에 구름처럼 퍼진 상태다. 전자구름이 짙은 곳이 전자의 위치라고 여겼다. 이처럼 전자 같은 입자는 그 위치와 운동량을 동시에 측정하는 것이 불가능한데 양자역학은 여기서 시작했다. (작가)
 
 
 

박종진