전자스핀의 발견은 양자역학의 역사와 함께한다? 스핀을 알아보자![안될과학 - 랩미팅 19화]

[3106김호준]

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시청시각 : 11시
 
내용(12줄 이상) : 제이만효과란 스펙트럼이 자기장을 만났을 때 변화가 생기는 것이다. 즉, 자기장이 복사선에 영향을 준다는 것이다. 이는 로렌츠가 설명을 했지만, 스펙트럼이 짝수개가 나오는 것을 설명하지 못했다. 그리고 이를 비정상 제이만 효과라고 한다. 원자의 역사는 스토니로부터 시작한다. 스토니는 전자가 원자에 붙어있다고 생각하였다. 그리고 톰슨은 전자가 독립된 입자임을 알아냈고 원자는 중성이기 때문에 전자 같이 원자보다 더 작은 물질이 있다는 것을 찾아냈다. 러더퍼드는 알파입자 산란실험을 통해서 톰슨의 푸딩모형에서 더 발전한 밀도도 크고 양전하를 띄는 원자핵을 발견하였다. 하지만 이것을 역학적으로 불안정한 상태이다. 이것을 닐스 보어가 해결하게 된다. 보어는 고전역학으로 설명하면 안되고 새로운 역학을 도입해야한다고 생각한다. 그리고 이 시기에 원소주기율표가 만들어지는데, 이상한 현상이 발견된다. 원자번호가 커질 수록 원자핵의 전하량이 커지고 전자의 수도 커지기 때문에, 전자와 원자핵의 인력이 점점 커져서 원자의 크기는 작아져야하는데, 리튬이나 나트륨과 같이 주기를 가지고 원자반지름이 갑자기 커지는 원소들이 있다는 것이다. 이는 새로운 단계가 있다고 추측할 수 있다. 그리고 보어는 이 자료를 통해서 전자껍질을 생각하게 되었다. 그리고 이 궤도를 말하기 위해 주양자수, 부양자수, 궤도양자수가 생기게 되었다. 하지만 이때까지도 스펙트럼이 짝수개가 나오는 것은 말할 수 없었다. 주기율표를 보면 주기에 따른 원소의 수가 2, 8, 8, 18,... 이다. 그리고 이 시기에 전자의 수는 그 전자가 들어있는 자기양자수의 2배라는 논문이 나오게 된다. 하지만 전자가 1개가 있다면 원자핵 1, 전자 1로 맞지만 만약 전자가 1개가 아니라면 어떻게 될까? 그렇게 되면 한 궤도에 전자가 2개가 있어야한다. 그러면 1/2로 가지면 된다. 그러나 과학에는 예외가 없다. 1/2로 가지게 되면 모든 전자는 1/2이 되어야해서 앞에서 말한 것은 성립하지 않는다. 그리고 이것을 해결해주는 것이 바로 전자의 스핀이다. 전자가 제자리에서 스핀을 하며 플마1/2로 운동을 한다면 전자가 2개 있을 때도 1,0으로 성립하고 전자가 1개 있을 때도 1로 성립을 할 수 있기 때문에 전자의 스핀이 도입되게 된다. 그리고 이 스핀을 통해서 비정상제이만효과도 설명할 수 있게 된다. +1/2와 -1/2를 가진 전자의 에너지 준위가 다르기 때문에 스펙트럼이 짝수개가 나올 수 있는 것이다.
느낀점(12줄 이상) : 작년에 화학올림피아드를 나간 적이 있었다. 그때부터 이 원자의 구성(?)에 대한 것에 흥미가 많았던 것 같다. 특히 이 '돌턴->톰슨->러더퍼드->보어'로 가는 이 흐름은 정말 재미있다. 또한 아는 사람들은 알겠지만 여기서 오비탈이라는 것이 등장한다. 그리고 이게 사실상 이 영상에서 말한 '양자수'와 거의 같다. 하지만 나는 여기서 주양자수, 방위양자수, 자기양자수 모두 이해를 했었지만 유독 스핀자기양자수는 이해를 하지 못했다. 왜냐하면 나는 스핀자기양자수를 그냥 전자가 2개이니 구별하기 위해서 +1/2, -1/2로 붙인 것인 줄 알았기 때문이다. 하지만 이 영상을 통해서 전자의 스핀은 그냥 무지성으로 붙인 것이 아니라 여러 원자모형들의 모순들을 해결할 수 있고 설명할 수 없었던 현상을 설명해줄 수 있는 것이라고 알게 되었다. 이 영상에서 파울리의 생애에 대해서도 나오는데, 나는 파울리가 당연히 처음부터 양자역학의 주도자라고 생각을 했었다. 사실은 파울리는 처음에는 상대성이론을 좋아했다는 사실이 신기했다. 심지어 아인슈타인은 정신적아들이라고 했을 정도면 그가 얼마나 천재인지 알 수 있었던 것 같다. 최근에 계속 우주관련, 생명과학 관련 영상들을 보다가 오랜만에 화학, 현대물리학 영상을 보니까 되게 재밌는 것 같다.