돌턴 이후 발견으로 인해 원자의 구조 모델 변화
보어 원자모형, 양자역학의 시작
[문화뉴스 MHN 권성준기자] 기원전 5세기경 고대 그리스의 철학자 데모크리토스는 이 세상은 원자와 빈 공간으로만 이루어졌다고 주장하였다. 하지만 아리스토텔레스가 빈 공간은 존재할 수 없다고 여기면서 데모크리토스의 주장은 세상에서 잊히게 되었다.
하지만 19세기 초 존 돌턴(John Dalton, 1766~1844)이 닫힌 계의 질량은 변하지 않는다는 질량 보존의 법칙과 화합물들을 이루는 원소들의 질량비는 일정하다는 일정 성분비의 법칙을 설명하기 위해 원자론을 도입하면서 원자론이 부활하게 되었다. 당시의 원자론은 원자가 물질을 이루는 기본이라고 생각하였기 때문에 공과 같은 구조라고 생각하였다.
단순히 현상을 설명하는 모델로만 존재하던 원자론은 루드윅 볼츠만(Luwig Boltzmann, 1844~1906)이 기체의 성질을 설명하기 위해 기체 분자 운동론을 제안하여 원자가 물질을 이루고 있다고 여겨지게 되고 이후 영국의 물리학자 존 톰슨(John Thomson, 1856~1940)이 전자를 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871~1937)가 양성자를 발견하면서 원자도 쪼갤 수 있음이 밝혀지고 원자의 구조에 대한 논의가 이루어졌다.
톰슨이 전자를 발견하고 과학자들은 양전하를 띠는 원자에 전자들이 골고루 박혀있을 것이라 생각하였고 마치 푸딩에 건포도가 박힌 것 같이 생겼다고 하여 건포도 푸딩 모델이라 불렀다.
이 건포도 푸딩 모델을 입증하기 위해 러더퍼드가 원자에 알파 입자를 쏘아 알파 입자가 산란되는 각도를 분석하였는데 놀랍게도 소수의 알파 입자가 건포도 푸딩 모델로 설명할 수 없는 각도로 산란되었고 원자 모형은 대대적으로 수정되었다.
러더퍼드는 원자의 중심에 +전하가 모여있있고 -전하를 띈 전자가 주변을 돌고있는 태양계 모델을 제시하였고 이론적인 계산을 통해 알파 입자 산란 실험에서의 산란각을 정확하게 계산하면서 자신의 주장을 뒷받침하였다.
하지만 러더퍼드의 모형은 치명적인 단점을 가지고 있었다. 첫 번째로는 전자기 이론과 합치되지 않는다는 점이다. 맥스웰의 전자기파 방정식에 따르면 원운동과 같은 가속 운동을 하는 전자는 전자기파를 방출하면서 그 에너지를 잃어야 한다.
즉 맥스웰의 전자기파 이론을 도입하면 원자의 전자들이 전자기파를 방출하면서 전부 원자핵과 합쳐져 원자가 붕괴해야 하지만 현실에서 그런 일이 일어났다면 지금과 같은 세상은 존재하지 않았을 것이다.
두 번째로는 특정 금속을 불로 태웠을 때 한 가지 색, 다시말해 특정 파장의 빛만 나온다는 것이다. 이 현상은 도저히 기존의 이론으론 설명되지 않았는데 이를 해결한 사람이 바로 닐스 보어(Niels Bohr, 1885~1962)였다.
보어는 한 가지 현대 물리학에 있어서 중요한 가설을 하나 세웠는데 바로 원자에서 전자는 특정한 궤도만 돌 수 있다, 즉 원자의 에너지가 특정한 값만 가질 수 있다는 양자화 가설을 도입하였다.
보어 이전 시대에 플랑크, 아인슈타인 등이 빛이 양자화되어있다는 가설을 통해 흑체복사, 광전효과 등을 설명하면서 빛이 입자임을 입증한 적은 있었으나 입자가 특정 에너지만 가질 수 있다는 양자화 가설은 보어에 의해 처음 등장하였다.
보어의 양자화 가설은 이후 드 브로이의 물질파 이론 의해 왜 전자가 양자화 되는지 이해가 되지만 보어는 딱히 이렇다 할 이유가 없이 그냥 원자 궤도가 양자화 되어있다는 가설을 사용해본 것이었다.
보어는 자신의 양자화 가설을 통해 전자가 특정 궤도를 돌고 있는 수소 원자의 모형을 세웠고 고전역학의 방정식을 통해 궤도 간의 에너지 차이를 계산한 결과 정수의 제곱에 반비례함을 알아내었다. 또한 전자가 궤도를 이동하면서 정확하게 그 궤도 간의 에너지 차이만큼 빛을 방출하여 금속을 태웠을 때 특정 파장의 빛만 방출한다고 설명하였다.
원자핵으로부터 가장 가까운 궤도를 1, 그다음 궤도를 2, 이런 식으로 n번 까지 번호를 붙혔을 때 이 번호의 제곱의 역수의 차이만큼 에너지가 방출되며 이는 보어의 계산 이전에 실험을 통해 경험적으로 얻었던 리드베리 공식과 완벽하게 일치하였다.
심지어 고전 방정식의 상수들을 이용해 계산한 상숫값이 리드베리 공식의 상수인 리드베리 상수와 정확하게 일치해버렸다. 이러한 놀라운 결과를 인정받은 보어는 1922년 노벨 물리학상을 수상하게 된다.
하지만 보어의 원자 모형 또한 한계를 가지고 있는데 바로 양성자와 전자 1개씩으로 이루어진 수소 말고 다른 원자를 설명하지 못한다는 것이었다. 수소 원자는 심플한 구조 덕분에 간단하게 계산하으나 헬륨부터는 계산이 어렵고 실험과 잘 맞지도 않았다.
그러나 보어의 양자화 가설은 많은 물리학자들에게 영감을 주었고 이를 통해 양자역학이 만들어졌으며 양자역학을 통해 '오비탈' 모형이 만들어지면서 인류는 원자의 구조에 대해 더 정확한 이해를 얻게 되었다.
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[MHN 과학] 2500년간의 논쟁, 원자의 구조, 1922 노벨 물리학상: 보어 원자모형
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보어 원자모형, 양자역학의 시작