[물질관 - 근대편2] 보이지도 않는 원자의 생김새는 어떻게 알았을까?

물질관 4부작 포스팅은 다음과 같습니다.

1부 - [물질관 - 고대편] 4원소설이 2000년간 깨지지 않았던 이유

2부 - [물질관 - 근대편] 4원소설과 플로지스톤의 몰락에 이은 근대 화학의 태동

3부 - [물질관 - 근대편2] 보이지도 않는 원자의 생김새는 어떻게 알았을까?

4부 - [물질관 - 현대편] 기존 물리학의 법칙을 산산히 깨부순 보어의 원자 모형

도대체 이 보이지도 않을 만큼 작은 원자는 어떻게 생겼을까?
이 질문에 답하기 위해 과학자들은 어떤 고민을 했을까요?

---

근대에 이르러 비로소 기나긴 4원소설의 지배가 끝나고 과학적인 실험과 추론을 통해 오늘날과 비슷한 개념들이 등장하게 되는데요. 바로 물질이 더 이상 분해할 수 없는 원소로 이루어져있다는 사실을 알게 된거죠. 그리고 과학이 더욱 발달하게 되면서 차츰 도대체 이 원소라는 게 어떻게 생겼는지가 궁금해지기 시작합니다.

돌턴은 1803년에 모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 원자로 되어있으며 원자의 종류에 따라 크기와 질량이 달라진다는 원자론을 처음으로 주장했습니다. 그런데 지난 포스팅에서 제가 보일과 라부아지에도 원소의 개념을 주장했다고 말씀드린 바 있습니다. 이들도 모든 물질이 더 이상 분해할 수 없는 원소로 되어있다고 주장했거든요? 그런데 왜 원자설은 돌턴이 처음으로 주장했다고 배우는 것일까요?

그 이유는 라부아지에가 제시한 원소의 개념을 실체를 갖는 입자 모델로써 정리한 과학자가 바로 돌턴이기 때문입니다.
무슨 말인가 하면 보일과 라부아지에는 원소가 실험적으로 더 이상 분해할 수 없는 물질이라고 규정했죠.

 

"실험을 해 보니깐 산소나 수소같은 원소들은 더이상 분해할수가 없었어요. 왜인지는 모르겠는데 더이상 분해가 안되니깐 이게 물질을 이루는 근본 아닐까요? 그런 의미로 우리는 이러한 것들을 원소라고 부르기로 합시다."

 

딱 거기까지였어요. 왜인지는 모르겠지만 여기서 더 분해는 불가능하더라, 원소가 어떻게 생겼으며 왜 분해할 수 없는지까지 설명하진 않았죠. 돌턴은 그 이유가 바로 모든 원소가 같은 종류의 원자들로 이루어져 있기 때문이라고 설명했습니다.

"사과 더미에서 사과를 나눠도 항상 사과이듯 원소를 분해해도 같은 원소인 이유가 바로 완벽하게 동일한 물질인 원자들의 모임이기 때문입니다. 그리고 이 원자는 아마 작은 공과 같은 모양으로 생긴 것 같아요"

이렇게 원소를 원자라는 개념으로 명확하게 정리한 최초의 과학자가 바로 돌턴이었던 것이죠. 하지만 돌턴이 주장한 원자는 물리학적 관점에서는 입증이 불가능한 것이었기 때문에 이후로도 수십년간 물리학자들 사이에서 원자는 논란의 대상이었습니다.

---

1869년 독일의 과학자 요한 히트로프는 진공관 내부에서 두 금속 사이에 전압 차이를 걸어주게 되면 음극에서 양극으로 방출되는 빔을 발견했습니다. 바로 음극선이었죠. 지금은 쉽게 찾아볼 수 없는 브라운관 TV의 광원이 바로 이 음극선이었습니다. 이 음극선의 정체가 무엇인지는 한동안 불명이었으며 이때까지만 해도 원자설은 여전히 논란의 대상이었어요.

그런데 1897년에 영국의 물리학자 톰슨은 음극선이 전기장의 영향으로 휘는 것을 발견합니다. 음극선이 -전하를 띄는 입자라는 것을 규명한 것이죠. 추가로 전기장의 세기에 따라 빛이 얼마나 휘는지를 계산해서 질량과 전하의 비(m/e) 를 측정하여 이 입자들이 원자보다도 훨씬 작은 질량을 갖고 있다는 것을 알아냈습니다.

그 유명한 음극선 실험

바로 전자를 발견한 것이죠.

 

"제가 발견한 전자는 원자보다도 훨씬 질량이 작습니다. 그러니깐 돌턴 선생님께서 제시하신 딱딱한 공 모양의 원자 모형은 잘못됐어요. 실제로는 공 안에 -전하를 가진 전자들이 알알히 박혀있는 구조일 것입니다. 마치 건포도가 푸딩에 박혀있듯이 말이죠."

건포도-푸딩 원자모형

이것이 바로 톰슨의 건포도 푸딩(plum pudding) 원자모형입니다. 이후 톰슨의 원자모형은 그의 제자 러더퍼드에 의해
금세 뒤집히게 됩니다.

---

이 당시 우라늄에서 눈에 보이지 않는 무언가 강한 에너지를 지닌 입자가 방출된다는게 발견되었고 이를 알파입자라고 부르고 있었습니다 (사실은 헬륨이온) 러더퍼드는 이 알파입자가 물질 속을 통과할 때 어떤 일이 생길 지 궁금했습니다. 그림과 같이 알파입자가 금속 막을 통과하면 얼마나 휘어질 수 있을지 알아보려 했던 거죠. 그러나 실험 결과는 정말 말도 안되는 것이었습니다.

대부분의 알파입자가 금속 막을 거의 그대로 통과해 지나갔습니다. 여기서 그쳤다면 좀 나은데요. 극소수의 알파 입자가 엉뚱한 방향으로 튀거나 심지어는 쐈던 방향으로 튕겨서 되돌아오는 것을 관찰한 것입니다.
같은 공끼리 충돌하는 경우를 상상해 보면 알 수 있듯이 비슷한 질량의 물체에 충돌한 뒤에 다시 되돌아오는걸 상상하기 어렵죠. 이를 두고 러더퍼드는 자신이 경험한 가장 놀라운 실험 결과였다고 말했으며 마치 종이에 대포를 쏘았는데 포탄이 튕겨 나온 셈이라고 말했습니다. 이를 설명하기 위해서는 원자 속에는 헬륨이온보다 무거운 무엇인가가 들어있다고 봐야 하는데 톰슨의 모형에서는 설명이 불가능한 일이었죠. 러더퍼드는 수년 간 고심 끝에 결론을 내릴 수 있었습니다.

"원자 내부는 사실 대부분 비어있는 공간입니다. 그리고 원자의 중심에는 모든 질량과 +전하가 한데 뭉쳐있는 원자핵이 존재합니다. -전하를 띄는 가벼운 전자는 그 주위를 날아다니고 있죠. 대부분의 알파입자는 빈공간을 그냥 통과했을테지만 운이 나쁜 소수의 입자들이 자신들보다 훨씬 무거운 금속 원자핵과 부딪쳐서 튕겨나간 것입니다."

무거운 원자핵을 중심으로 가벼운 전자가 주위를 돌고 있는 러더퍼드의 원자 모형이 탄생한 것입니다. 우리가 일반적으로 생각하는 원자의 모형이 바로 러더퍼드의 실험을 통해 나온 것이죠. 이는 마치 무거운 태양을 중심으로 행성들이 돌고 있는 태양계의 모습을 연상시켰으며 미시세계에서 거대한 우주의 모습이 재현된다는 것은 정말 놀랍고 감동적인 결과였습니다.

그러나 러더퍼드의 원자 모형은 심각한 이론적 결함을 안고 있었는데요. (다음 포스팅에 계속)

 

4부 - [물질관 - 현대편] 기존 물리학의 법칙을 산산히 깨부순 보어의 원자 모형

[물질관 - 현대편] 기존 물리학의 법칙을 산산히 깨부순 보어의 원자 모형