원자 내에서 전자의 배치 2쪽

[김동석]

원자 내에서 전자의 배치

2쪽

원자 내부에 전자가 어떤 방법으로 들어가 있는지에 대한 문제는 보어의 원자모형으로 해결된 것처럼 보였다. 그 이유는 알 수 없었지만 전자는 딱 알맞는 궤도에만 존재하면 전자기파를 방출하지 않고 계속해서 그 궤도에 머무를 수 있는 것처럼 보였다. 수소 원자나 그 밖의 다른 원자에서 관찰되는 선 스펙트럼의 진동수 관계를 보어의 원자모형으로 기가 막히게 잘 설명할 수가 있었다. 그것은 적어도 보어의 원자모형이 틀리지는 않는다는 점을 의미했다. 그러나 왜 보어의 원자모형이 만들어지는지에 대한 이유는 알 수 없는 일이었다. 그 점을 해결하기 위하여 보어와 당시 학자들은 끊임없이 노력하였다.

그러나 다른 문제도 존재하였다. 원자의 내부 구조는 상당히 간단한 것처럼 보였다. 모든 원자의 중심부에는 양전기를 띈 매우 작은 원자핵이 놓여있고 그 주위를 전자가 회전한다. 즉 원자에는 원자핵과 전자 밖에는 다른 것은 포함되어 있지 않았다. 서로 다른 물질을 만드는 원자가 모두 똑같이 원자핵과 전자만으로 이루어져 있는 것이다. 그런데 풀리지 않는 의문점은 이러한 원자들로 이루어진 세상에 존재하는 물질은 왜 그렇게 여러가지인가 하는 것이었다. 모두 똑같이 전자와 원자핵으로 만들어진 원자로 구성되었는데 어떤 물질은 기체로 존재하고 어떤 물질은 액체로 존재하는가? 그리고 그렇게 다양한 화학적 성질을 모이는 다양한 종류의 물질이 존재하는가?

19세기가 끝나갈 무렵까지도 원자의 내부란 인간이 알도록 허용되지 않은 신의 영역이라고 생각하는 사람이 많았다고 한다. 그러나 보어와 당시 학자들이 이와같이 물질의 성질이 어떻게 결정되는지에 대해 고민하고 있을 때 그와같은 것을 해결해줄 정보는 이미 사람들에게 알려져 있었다. 원자에 대한 정보는 원자로부터 나오는 것이어야 한다. 그러한 성질로 당시에 이미 알려진 대표적인 것이

• 원자에서 나오는 각종 빛의 선스펙트럼
• 멘델레프의 원소 주기율표 (멘텔레프가 원래 발표한 주기울표가 궁금하면 왼쪽 빨간 글씨를 클릭하세요.)

등 두가지 이다. 그 중에서 원자에서 나오는 선스펙터럼은 보어가 원자모형을 만드는데 결정적인 영향을 주었다. 멘델레프의 주기율표는 멘델레프가 19세기 중엽에 발표한 것으로 원소를 원자량에 의해 배열하였더니 동일한 화학적 성질을 갖는 원소가 규칙적으로 반복함을 발견한 것이다. 멘델레프 당시에는 원자번호라는 개념이 아직 없었다. 단지 원소의 질량(원자량)을 정확히 측정할 수가 있었는데, 비슷한 원자량을 가진 원소는 동일한 화학적 성질을 갖고 있음을 알게 되어 이들을 순서대로 배열해 본 것이다.     

디미트리 멘델레프는 1834년 러시아에서 태어난 천재 과학자이다. 그는 17 형제 중 막내로 출생하였는데 성 페테스부르크 (현재 레닌그라드) 대학의 화학교수이었다. 그는 과학의 여러 분야에 대해 다양한 연구를 수행하였는데 특히 러시아의 자원을 이용하는 문제에 대해 깊은 관심을 보였다. 그래서 석탄이나 소금 그리고 석유 등에 대해 많은 연구를 남겼다. 그리고 개기일식을 연구하기 위해 기구를 타고 높이 올라가기도 한 과학자이다.
멘델레프의 주기율표는 원자의 구조가 조금만 바뀌어도 그 성질이 많이 달라지는 것을 의미했다. 그 이유를 알아내는 것이 원자 내부 세계의 법칙을 알아내는 것과 같을 것이었다. 보어는 자기의 원자 모형을 가지고 이와같은 의문을 해결하기 위해 고심하였다.

보어가 이 문제에 대해 생각하기 전에 이미 보어의 스승이었던 캐번디시 연구소의 톰슨(전자를 발견한 톰슨)이 나름대로 톰슨의 원자모형(양전기는 원자 내부에 고루 퍼져있고 전자가 그 사이 사이에 박혀있다는 모형)을 이용하여 이와같은 원자의 성질을 설명하였다. 톰슨은 원자에 포함된 전자들이 양파껍질과 같이 껍질을 이루며 분포되어 있다고 생각하였다. 그러한 모형을 가지고 원소들 사이의 화학적 성질을 어느정도 설명할 수가 있었다. 그래서 러더퍼드가 원자핵을 발견하기 전 전까지는 톰슨의 원자모형이 매우 높게 평가되었던 것이다.

보어는 톰슨의 생각 중 전자가 구껍질 모양으로 분포되어 있다는 생각을 채택하고 자기의 원자모형을 가지고 주기율표를 설명할 수 있는 방법을 연구하였다. 그래서 보어의 원자모형에 의해 전자가 존재할 수 있는 궤도가 원자핵을 중심으로 구를 그리며 분포되어 있는 것으로 생각하였다. 그리고 주기율표를 설명할 수 있기 위하여 가장 안쪽 궤도에는 단지 2개의 전자만 존재할 수 있고 그 다음 궤도부터는 8개의 전자가 존재할 수 있다고 가정하면 주기율표의 성질을 어느정도 설명할 수 있음을 알게되었다.

그래서 원자에 포함된 전자의 수에 따라 원자의 종류가 결정되는데, 전자들은 제일 안쪽 궤도부터 차근차근 채워져야지만 한다고 보았다. 원자의 화학적 성질은 가장 바깥쪽 궤도로 이루어진 껍질에 몇개의 전자가 포함되었느냐에 따라 결정된다. 이 껍질에 하나의 전자만 포함되어 있다면 위의 주기율표의 가장 왼쪽 기둥에 아래 위로 나열된 원소가 되며 화학적으로 아주 왕성하게 반응한다. 만일 제일 바깥쪽 껍질에 들어갈 수 있는 전자의 수가 모두 채워져 있으면 위의 주기율표의 가장 오른쪽 기둥에 아래 위로 나열된 원소가 되며 화학적으로 다른 원소와 잘 반응하지 않는다.

보어의 이와같은 모형은 원소의 성질과 원소의 주기율표를 제대로 설명할 수 있었다. 그러나 아직 왜 그러한 모형이 원소를 잘 설명하는지 그 이유를 알 수 없었다. 원인은 알 수 없지만 성립하는 원리가 두개 발견된 것이다. 하나는 보어의 수소 원자모형으로 원자에서 특별히 정해진 궤도를 회전하는 전자는 전자기파를 방출하지 않는다는 것이고 다른 하나는 그렇게 정해진 궤도에 포함될 수 있는 전자의 수가 2개, 8개 등으로 정해져 있는데, 왜 특별한 궤도에서는 전자기파를 방출하지 않는지, 왜 궤도에 그와같은 특별한 수의 전자만 포함되어야 하는지는 도저히 알수가 없었던 것이다.