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“만일 기존의 모든 과학적 지식들을 송두리째 와해시키는 대재앙이 일어나서 다음 세대에 물려줄 과학적 지식을 단 한 문장으로 요약해야 한다면, 그 문장은 어떤 내용을 담고 있을까? 내 생각에 그것은 아마도 원자 가설 (atomic hypothesis) 일 것이다. 즉, '모든 물질은 원자로 이루어져 있으며, 이들은 영원히 운동을 계속하는 작은 입자로서 거리가 어느 정도 이상 떨어져 있을 때에는 서로 잡아당기고, 외부의 힘에 의해 압축되어 거리가 가까워지면 서로 밀어낸다'는 가설이 그것이다.”

리처드 필립스 파인만, 『The Feynman Lectures on Physics』 中

原子 / Atom

개요

원자 (原子, Atom) 는 화학 반응을 통해 쪼갤 수 없는 물질의 최소 단위를 뜻합니다. 물리학의 관점에서 보면 원자를 구성하고 있는 것을 핵자전자로 나눌 수 있습니다.

역사

돌튼의 원자설

1808년, 영국의 화학자 존 돌튼은 모든 물질이 일정한 비율의 원자들로 구성되어 있다고 주장하였습니다. 이렇게 제안된 원자설의 핵심적인 부분을 요약하자면 아래와 같습니다.

  1. 모든 물질은 일정한 비율의 원자들로 구성되어 있다.
  2. 원자는 더 이상 쪼갤 수 없는 최소 단위이다.
  3. 각기 다른 원소의 원자는 성질과 질량이 서로 다르다.
  4. 모든 원자는 다른 원자로 변하지 않으며, 새롭게 생성되거나 소명되지 않는다.
  5. 원자들이 모여 화합물을 이루게 될 때, 각 원소의 원자들은 간단한 비율로 결합한다.

톰슨의 원자 모형

1897년, 영국의 물리학자 조지프 존 톰슨은 음극선관을 통한 실험으로 원자의 구성 입자인 전자를 발견했습니다. 음극선관은 양쪽에 극이 있고 아르곤 등의 기체로 내부가 채워져 있는 유리관이며 톰슨은 양쪽의 극을 통해 전류를 흘려보냈습니다. 그러자 어떤 광선이 음극선관의 한 극에서 다른 극을 향해 나가는 것이 보였습니다.

톰슨은 음극선관 내부에 어떤 물체를 넣어두면 그림자가 생기며, 음극선에 자석을 가까이 대면 휘어진다는 성질을 알아내고, 그것을 바탕으로 이 미세한 입자가 질량을 가지고 있으며 음의 전하를 띠고 있다는 것을 증명하였습니다.

원자는 전기적으로 중성이기 때문에 톰슨은 원자의 구조가 같은 수의 양전하를 띠고 있는 입자가 전자와 뒤죽박죽 섞여 있는 모습이라고 생각했습니다. 이 모형은 흔히 건포도가 박혀 있는 빵이나 푸딩에 비유됩니다.

러더퍼드의 원자 모형

1911년, 영국의 물리학자 어니스트 러더퍼드는 방사성 물질에서 나오는 \alpha 입자를 금박에 쏘는 실험을 하였습니다. 당연하게도 대부분이 금박을 관통하였으나, 그 중의 일부는 다른 방향으로 휘어지며 심한 것은 거의 반대 방향으로 튀어나온다는 것을 발견했습니다. 즉, 원자의 내부에 무언가가 있어서 \alpha 입자가 튕겨져 나오는 것을 발견한 것입니다. 이렇게 해서 원자핵이 처음으로 발견되었습니다. 러더퍼드는 당시의 상황을 이렇게 회고하기도 했습니다.

“그것은 내 인생을 통틀어 가장 놀라운 사건이었다. 허공에 매달아 놓은 얇은 종이를 향해 직경 40 cm 짜리 포탄을 발사하였는데, 그 포탄이 종이와 충돌한 후 뒤로 튕겨져 나왔다면 이 세상에 놀라지 않을 만한 사람이 어디 있겠는가? 당시 우리가 얻은 결과는 이것과 크게 다르지 않았다.”

어니스트 러더퍼드, 당시를 회고하며

원자핵의 발견으로 러더퍼드는 톰슨의 원자 모형을 수정한 새로운 원자 모형을 만들게 되었습니다. 이 모형은 원자핵을 중심으로 전자가 공전하고 있는 형태로, 태양계의 모습과 비슷하여 '태양계 모형'이라고 불리기도 합니다. 이 모형에 따르면 원자의 중심에 원자 질량의 대부분을 차지하며 양의 전하를 가진 원자핵이 존재하며 그 크기는 원자 크기의 10만분의 1 정도입니다. 따라서 원자의 대부분은 말 그대로 빈 공간이라는 것입니다.

러더퍼드의 모형은 가장 작은 세계에서 거대한 태양계의 모습을 보여준다는 점에서 형이상학적으로도 굉장한 것이었으나 여러 가지 문제점이 있었습니다. 우선 전자들이 양의 전하를 띤 원자핵으로 끌려가지 않기 위해서는 구심력이 작용할 수 있도록 원운동을 해야만 합니다. 그런데 이 형태에서 전자는 안정된 상태로 원운동을 하지 못하고 가속 운동을 하게 되기 때문에 연속적으로 전자기파를 방출하면서 원자핵으로 떨어지게 됩니다. 하지만 대부분의 실제 원자들은 굉장히 안정하다는 점이 문제였습니다.

또한 원운동을 하는 전자는 모든 연속적인 에너지를 가질 수 있기에, 가열된 기체에서 방출되는 스펙트럼이 연속적이어야만 합니다. 그러나 실제로 실험을 해보면 선 스펙트럼의 형태만이 관찰됩니다. 이는 러더퍼드 모형으로는 설명할 수 없는 부분이었습니다.

보어의 원자 모형

1913년, 덴마크의 물리학자 닐스 헨리크 다비드 보어는 러더퍼드의 모형이 지닌 문제점을 해결하는 원자 모형을 제안했습니다. 이 모형은 양자 조건과 진동수 조건이라는 두 가지의 가정을 바탕으로 이루어져 있습니다.

우선 첫 번째 가정인 양자 조건은 궤도에 있는 전자가 아래의 특정한 조건을 만족시킬 때에 전자기파를 방출하지 않고 안정된 상태로 존재하게 된다는 것입니다.

양자 조건 : 2\pi rmv = nh, 2\pi r = n\lambda

여기에서 m전자의 질량, r은 궤도의 반경, v는 전자의 속력, h플랑크 상수, \lambda는 전자 물질파 파장을 뜻합니다.

두 번째 가정인 진동수 조건은 전자가 안정한 궤도들을 옮겨다닐 수 있으며, 그러한 경우에 두 궤도의 에너지 차와 같은 에너지를 가진 광자가 방출되거나 흡수된다는 것입니다. 이를 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

진동수 조건 : hf = E_f - E_i

여기에서 h플랑크 상수, f광자 하나의 진동수를 뜻합니다.

모든 물질은 파동성을 가지기 때문에 전자 역시 입자가 아니라 파동으로 생각할 수 있습니다. 보어는 이에 따라 전자의 궤도를 펼쳤을 때 전자의 특정한 파장이 그대로 유지될 수 있으면 그 궤도는 안정한 것이며 그렇지 못할 경우에는 궤도를 돌면서 파동이 상쇄되어 안정하지 못하다는 결론을 얻은 것입니다.

이렇게 해서 탄생한 보어의 이론은 전자의 안정성과 선 스펙트럼에 대한 문제들을 설명할 수 있었으며, 전자의 궤도에 대한 제한을 했습니다. 그러나 수소 원자 이외의 다양한 스펙트럼에 대해서는 설명하기 어려웠으며 여전히 전자의 위치와 속력을 정확하게 결정할 수 있었으나 이는 이후에 발견된 불확정성 원리에 위배되는 것이었습니다. 이후 양자 역학이 탄생하면서 보어의 모형에 수정을 할 수밖에 없었습니다.

현대의 원자 모형

1924년, 프랑스의 물리학자 루이 빅토르 피에르 레몽 드 브로이는 모든 입자가 파동의 성질을 가지고 있다는 제안을 했습니다. 이후 오스트리아의 물리학자 에르빈 루돌프 요제프 알렉산더 슈뢰딩거는 이 아이디어를 바탕으로 1926년에 슈뢰딩거 방정식을 통해 전자파동 함수로 기술했는데, 이는 보어의 모형이 설명하지 못했던 다양한 스펙트럼을 설명할 수 있었습니다.

1927년, 독일의 물리학자 베르너 카를 하이젠베르크양자 역학의 기본 원리인 불확정성 원리를 발표했습니다. 이 원리에 따르면 어떤 입자의 위치와 속력을 동시에 결정할 수 없는데, 이는 보어의 모형이 잘못되었다는 사실을 보여주었습니다.

이렇게 해서 양자 역학의 원리에 입각한 현대적인 원자 모형이 탄생하게 되었습니다. 이 모형에서는 전자가 특정 위치에 존재할 확률만을 알 수 있습니다. 마치 구름처럼 전자가 존재할 수 있는 위치들만 표시하게 된 것입니다.

원자의 구조

원자는 더 이상 쪼갤 수 없다는 개념으로 탄생하였으나 다양한 실험을 통해 원자의 내부 구조가 있음이 확인되었습니다. 원자는 전자, 양성자, 중성자로 이루어져 있으며, 양성자와 중성자는 결합하여 원자핵을 이루고 그 주위를 전자가 도는 구조입니다. 원자는 매우 작기 때문에 원자의 반지름은 대부분 30 ~ 150pm[1] 정도이며, 원자핵의 반지름은 약 0.1pm인데, 이것은 원자 내부의 대부분이 비어있다는 뜻입니다. 이렇게 대부분이 비어있음에도 불구하고 원자가 결집력을 가질 수 있는 이유는 매우 강한 전자기력이 작용하기 때문입니다. 전자기적인 힘으로 원자는 유지됩니다.

도보기

Sn

  1. pm은 picometer의 약어로, 1조 분의 1미터를 뜻합니다.

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