자기장이 있으면 원자의 스펙트럼이 변하는 현상
헨드릭 로런츠, 전자의 성질 정확하게 계산
[문화뉴스 권성준 기자] 세상의 모든 물질은 원자라는 작은 알갱이로 이루어져 있고 원자는 원자핵과 전자라는 더 작은 입자로 이루어져 있다.
21세기인 현재 원자론은 매우 보편적인 지식이지만 불과 100년쯤 전까지만 해도 원자의 존재는 과학자들 사이에서도 잘 받아들여지지 못했다. 19세기 존 돌턴이 원자론을 제시하기 시작하였고 몇몇 과학자가 이를 받아들이기 시작했다.
루드윅 볼츠만이 대표적인 원자론을 주장한 과학자였다. 하지만 볼츠만의 원자론은 동료 과학자들에게 큰 비판을 받았고 우울증을 견디지 못한 볼츠만은 자살로 생을 마감한 것으로 알려져 있다.
19~20세기가 되면서 원자론을 도입하여 여러 현상을 설명할 수 있다는 사실이 밝혀지면서 원자론은 강력하게 지지 받기 시작했다. 대표적으로 알버트 아인슈타인의 브라운 운동이 있다.
한편 전자기학이 정립되고 전하의 개념이 정리되기 시작하였다. 전기적으로 중성이던 물질이 간단한 작용을 통해 전하를 띠게 되는 현상은 인류가 먼 옛날부터 알고 있었던 일이다.
그런데 모든 물체가 원자로 이루어졌다면 중성 원자가 전하를 띠게 되는 것은 원자도 전하를 띠는 입자로 이루어져 있고 이 입자가 떨어져 나오면서 전하를 띠는 것으로 생각하는 움직임이 나타났다.
원자가 전하를 띠는 물질로 이루어져 있다는 모델을 통해 이해할 수 있는 현상이 존재하고 대표적인 현상이 바로 '제이만 효과'이다.
물질에 열을 가하면 뜨겁게 달아오르고 동시에 빛을 내기 시작한다. 이 빛을 분석해보면 물질마다 다른 색의 빛으로 이루어졌다.
빛을 프리즘을 이용해 분류를 하면 가시광선 영역에서는 빨강~보라까지 골고루 색이 분리가 된다. 하지만 물질을 달궈 나타나는 빛은 그 빛을 구성하는 특정 색의 빛으로만 분리가 된다. 이를 스펙트럼이라고 한다.
물리학자 피테르 제이만은 달구는 물질에 자기장을 가해보았다. 제이만은 실험에서 자기장이 가해지면 스펙트럼 선의 간격이 넓어지는 현상을 발견하였다. 갑자기 다른 빛이 생겨난 것이었다. 이를 '제이만 효과'라고 부른다.
'제이만 효과'를 들은 헨드릭 로런츠는 자신이 주장하였던 복사 이론이 옳다는 확신을 얻게 되었다. '제이만 효과'가 발견되기 이전 로런츠는 원자 안에 전하를 띠는 입자가 있고 이 입자가 진동하면서 스펙트럼을 만든다고 생각하였다.
로런츠는 자기장이 이 입자의 진동을 변화시켜서 다른 빛이 나오도록 만들기 때문에 '제이만 효과'가 일어난다고 설명하였다. 그러면서 입자의 성질을 계산하였는데 입자의 전하는 음전하이며 원자보다 1000배가량 가벼워야 한다는 결과를 얻었다.
놀랍게도 이 발견은 조지프 톰슨이 전자를 발견하기 이전에 얻은 결과로 이후 발견된 전자의 성질과 정확하게 일치한다. 이 발견의 공로로 제이만과 로런츠는 1902년 노벨 물리학상을 수상하였다.
로런츠는 자신의 이론에 등장하는 입자에 'electrion'이라는 이름을 붙여주려고 했으나 널리 받아들여지지 못했고 로런츠 이전에 조지 스토니가 제안하였던 'electron'이 현재에도 사용되는 전자의 이름이 되었다.
한편 로런츠의 복사 이론은 실험에서 발견된 '제이만 효과'를 완벽하게 설명하지 못하였다. 로런츠의 이론으로 설명하지 못하는 현상을 '비정상 제이만 효과'라고 부른다.
제이만은 자가장의 세기를 강하게 할 경우 넓어진 스펙트럼이 쪼개지는 것을 발견하였다. 스펙트럼이 홀수 개로 쪼개지는 것은 로런츠의 이론으로 잘 설명이 되지만 짝수 개로 쪼개지는 것은 설명이 되지 못했다.
양자역학이 등장한 이후 '비정상 제이만 효과'를 설명하기 위해 볼프강 파울리는 고전역학으로는 설명할 수 없는 '스핀'이라는 새로운 물리량을 제안하였다.
전자끼리도 스핀의 값을 통해 위, 아래 서로 다른 전자로 구분된다. 평소에는 스핀에 의한 효과는 나타나지 않지만 자기장이 걸릴 경우 스핀에 의해 위, 아래 전자로 분리가 일어난다. 이를 통해서 짝수 개 스펙트럼을 설명한다.
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[노벨상으로 보는 물리학] 자기장으로 전자를 발견하다 1902년 : 제이만 효과
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