전자이야기

[월명산]

                                            ▲덴마크의 물리학자 닐스 보어(1885.10.7 - 1962.11.18) 


빛에서 전자로

플랑크가 에너지 양자가설을 통해 양자도약의 문을 연 이후 원자와 그 안에 있는 전자에 대해 고민하던 과학자들은 전자또한 '양자'가 아닐까? 하고 조심스럽게 접근하고 있었다. 이것이 바로 엄밀한 의미에서 실질적인 '양자론'의 탄생이라 볼 수 있다. 당시 세계의 모든 과학자들은 '원자의 내부구조는 어떻게 되어 있을까?'라는 명제에 대해 고민하고 있었는데 당시 27세의 당찬 청년이었던 보아가 전자또한 양자라는 주장을 하고 나선 것이다. 그대도 알다시피 원자는 영어로 아톰(atom)이라고 부른다.

                         ▲그림1 톰슨의 음극선 실험

그리스의 철학자 데모크리트스(기원전 460년경~370)는 물질을 '분할할 수 없는 것'이라는 의미의 이름(atoms)을 붙인 것에서 유래한다. 원자의 개념을 처음 도입한 것은 19세기 영국의 화학자 돌튼이었으며. 1897년 영국의 물리학자 톰슨 (1856~1940)은 전자를 발견하게 된다. 톰슨은 당시 음극선(두 금속 전극이 진공의 유리관 안에 떨어져 있고, 두 단자 사이에 전위차가 있을 때, 진공관안에서 관찰되는 전자들의 흐름) 의 정체가 마이너스 전자를 띤 작은 알맹이 즉 전자의 집합체라고 생각했다.

미국의 물리학자 밀리컨 (1868~1953)은 의해 전자의 질량은 수소원자의 약 이천분의 일인 것을 측정하었고 독일의 물리학자 로렌츠등이 원자에서 방출되는 빛의 연구에 의해 원자속에 전기를 띤 입자가 존재한다는 것을 예언했고 그 입자가 음극선을 구성하는 전자와같은 것임을 확인했다. 원자는 더 이상 분할할 수 없는 것이 아니었다. 


톰슨 원자 모형

                                                                               ▲그림2 톰슨 원자모형

이후 과학자들은 원자의 내부구조에 더 관심을 두게 되었는데 원자는 마이너스전기를 띤 전자를 가지고 있지만 원자 전체로서는 전기를 띠지 않고 있었다. 따라서 원자안에서 플러스와 마이너스 전기가 만나 서로 중화되는 것이라 예측을 하게 되었다. 1903년 톰슨은 플러스 전기를 띤 큰 원안에 작은 전자 알맹이가 흩어져 있는 '톰슨 원자모형'이라 불리는 원자의 구조모델을 발표했다.

톰슨이 제안한 원자 모델에 고무된 영국의 물리학자 러더포드(1871~1937)는 직접 톰슨의 원자 모델을 시험하기로 결정한다. 그는 톰슨의 원자 모델이 옳다면 상대적으로 큰 알파 입자는 금박지의 원자를 통과할 때 매우 적게 휠 것이라고 추론하였다. 왜냐하면 알파 입자는 양전하를 띠고 있으므로 원자핵 대부분이 전자로 구성된 톰슨의 원자는 중성을 이루고 있기때문에 그대로 뚫고 지나간다고 생각했기 때문이다. 즉, 톰슨 원자에 있는 양전하의 영향이 미미한 것으로 봤다. (양전하는 양전하끼리, 음전하는 음전하끼리 서로 반발하는 원리)

방사선 광원(radioactive source)에 알파 입자가 나오면 알파입자는 금박지(gold foil)에 부딪히게 된다. 톰슨의 모형을 따른다면 금박지 안의 원자핵은 알파 입자를 크게 휘지 않고 그대로 통과시켜야 한다. 그런데 실제 실험에서 대부분이 입자가 그대로 통과하기는 했지만 적지 않은 알파입자들이 매우 큰 각도로 휘어지는 것이 관찰되었다. (그림에서 둥그런 초록색 울타리는 알파입자가 부딪히면 빛을 내는 형광판이다.) 


러더포드 원자모형

                                                           ▲그림3 러더포드 원자모형

톰슨 모형으로는 도저히 설명할 수 없는 현상이 발견되자 러더포드는 톰슨 모형을 대체하는 새로운 원자 모형을 제안하게 된다. 그는 원자 한 가운데에 양전하를 띤 원자핵이 있고 음전하를 띤 전자들이 원자핵 주위를 돌고 있다는 '러더포드 모형'을 고안한다. 그는 실험에서 대부분의 알파 입자가 그대로 통과하고 동시에 여러 입자가 휘어지는 두 현상을 동시에 만족하기 위해 원자는 아주 작은 양전하의 원자핵과 원자의 대부분의 공간을 차지하는 전자들로 이루어졌다고 생각했다.

                                                                         ▲그림4 러더포드 실험을 도식화한 그림.

그림3의 파란색 직선은 알파입자의 궤적이다. 파란색의 둥근 원은 금박지를 구성하는 원자이고 그 한 가운데에 아주 작은 노란색의 원자핵이 놓여져 있다. 원자핵은 양전하를 띠므로 양전하의 알파입자가 원자핵에 가까이 접근하면 반발력으로 그대로 휘어지게 된다. 그러나 원자핵과 접촉하지 않은 알파입자는 그대로 직진하거나 아주 약하게 휘어질뿐이다.

러더포드가 생각한 플러스 전기를 가지는 커다란 입자라는 것은 그 뒤에 플러스 전기를 가지는 '양자'가 전기적으로 중성인 중성자 몇 개가 모여 굳게 결합한 원자핵인 것이 명확해졌다. 그런데 당시의 물리학에 근거를 두면 전기를 띤 입자가 회전운동을 하면 그 입자는 빛(전자파)을 방출하여 에너지를 잃고 최종적으로는 원자핵에 붙게된다.