오늘은 아래 게시글 누군가도 말했듯이 닐스보어 탄생일 127주년입니다. 생각해보니 127년.... 인간이 최대한 오래살면 150살정도라고 하는데 닐스 보어도 미래 의학의 혜택을 받았다면 아직도 살아있겠지요.... 그만큼 현대물리학이 형성된지는 그렇게 오랜 세월이 흐르지 않았습니다. 

그냥 오늘자 구글 메인을 보며 저기에 담긴 의미를 괜스레 설명해지고 싶네요.

저기 Google 중 첫번째 o 자리에 있는 것은 여러분들이 알다시피 원자핵 모형입니다. n=1, n=2, n=3 가 있는 걸로 보아서는 확실히 보어가 만든 고전 물리학을 이용한 마지막 원자모델이 되겠네요.

원자 모형의 발전은 톰슨이 전자를 발견하고 부터입니다. 전자는 바로 음극선 관을 활용해서 발견하게 되었죠. 

이미지출처 : http://loewelad.tistory.com/169

아 사진이 너무 크네요... 아무튼 위 사진이 음극선입니다. 초록색 광선이 보이는 지요? 아마 저것이 초록색으로 보이는 이유는 음극선 안의 원자가 전자와 부딪혀서 들뜬 상태가 되어 바닥상태로 떨어지며 방출하는 빛같습니다. 더 자세한건 음극선관 실험을 참고하면 되겠지요?

아무튼 톰슨이 저것을 발견하고 이것이 뭔가 고민을 하다 말굽자석을 저기다 갔다대어 보았습니다. 그러니까 음극선이 휘는거 아니겠습니까? 그걸로 일단 저 선의 전하는 (-)임을 알 수 있었죠.(제가 글로 쓴 정보만으로는 알 수 없고 자기장의 방향과 음극선이 나오는 방향까지 생각해서 그런 결론에 도달할 수 있습니다. 이런건 고딩들 연습문제있으니까 넘어갈께요 ㅎㅎ)

그럼 음음 좋아 마이너스전하를 띠는 놈이군! 에서 끝난게 아니라 휘는 정도로 전자가 입자라면 질량을 가질 것이므로 자기력과 원심력이 같다는 식으로 전하량과 질량의 비를 알아내는 데 까지 성공합니다. 이 결과를 1897년 4월 30일 영국 왕립연구소 금요일 회에서 발표하죠. (내용 출처 : http://www.postech.ac.kr/press/pp/part03/ch160/)

이후 톰슨은 이 전자가 어디서 나왔을까... 하여 제안한 것이 건포도 모형입니다.

(사진 출처 : http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=575184&logNo=60168407201)

맛있겠당... 원자가 겉에 쿠키라면 전자는 저기위의 초코처럼 점점이 박힌 모형이죠. 물론... 진짜 이렇게 먹는걸 상상하시면 곤란합니다.

생김새가 뭐 그렇다구요..

어째튼 여기에 들어가는 공로로 밀리컨의 기름방울 실험을 빼놓을 수 없습니다. 밀리컨이 기름방울 실험으로 기본 전하량을 알아내어 전하와 질량비를 이용하면 전자의 질량을 구할 수 있었습니다. 전자의 질량을 재보니 원자보다 너무 가볍고 원자가 중성이라는 것에 착안하여 이와 같은 모형을 제안할 수 있게 된 것이죠.

그러나 이 톰슨의 원자모형은 러더퍼드의 금박 산란실험을 설명할 수 없었습니다. (러더퍼드가 톰슨의 제자라는 것은 재미있는 사실이죠.) 

금박 산란 실험이 뭐냐 하면 

(사진 출처 : http://www.chemmate.com/7th_finish/7th_chem2/web/test/chap3.htm)

사진이 너무 크지 않나 싶기도 한데... 어째튼 러더퍼드의 따까리 가이거와 마즈덴이 열심히 노동해서 이와 같은 실험에서 휘어지지 않은 alpha 입자와 조금 휘어진 alpha 입자가 대부분이었던 실험결과에서 완벽히 꺾여버린 마치 튕겨나온 거 같은 alpha입자를 발견하게 됩니다. 러더퍼드는 이를 빗대어 대포가 종이에 튕겨져 나온거 같다라고 말했죠. 실제로 알파입자의 질량은 꽤 무거운 것이 알려져 있었습니다. 아무튼 이러저러 해서 톰슨 모형은 이 실험을 설명할 수 가 없게 되어 새로운 모형을 만들 수 밖에 없게 되었죠.

그렇게 등장한게 러더퍼드 원자핵 모형입니다. 하지만 그전에 설명할 것이 있는데, 실제로 러더퍼드는 이 원자핵 모형을 나가오카 한타로의 토성 고리 모델에서 착안을 하였다고 합니다. 이 모델은 톰슨의 건포도 모형을 제안하는 해에 한타로가 제안을 했는데, 그 모양이 양전하를 띠는 입자(+)가 질량이 크고 전자의 (-)전하 때문에 전자가 그 양전하를 띠는 입자 주위를 돈는 형상이었습니다. 그러나 이 모형은 나오자 마자 전자의 가속운동으로 방출될 전자기파 때문에 생기는 원자의 역학적 불안정성 때문에 심한 비판을 받아서 사장될 위험에 처했었지요.

그러나 러더퍼드 산란실험으로 중앙에 질량이 큰 원자핵이 있다는 아이디어는 충분히 설득력 있었습니다. 그래서 러더퍼드도 한타로의 토성고리 모형과 비슷한 모형을 제안하게 되는데 역시 원자의 역학적 불안정성은 설명할 수가 없었지요.

그렇습니다. 러더퍼드의 원자모형은 유일하게 딱 원자의 역학적 불안정성을 설명하질 못했어요.

이 때 등장한 것이 닐스 보어의 양자 모형입니다. 제가 맨 위의 구글 메인이 잘 그렸다고 생각한 이유가 이 양자 모형을 함축적 기호로 잘 나타내주고 있어서 인데요.

양자 모형의 모양은 러더퍼드의 모형과 크게 다를 것이 없어 보입니다. 그러나 n=1, n=2, n=3 라는 기호가 있죠?

이것은 쉽게 말하면 전자기파를 방출하지 않는 궤도를 나타냅니다. 즉, 전자가 원자핵 주위를 돌 때 전자기파를 방출하지 않는 궤도가 존재한다는 겁니다. 그럼 뭐야 이거... 그냥 불안정하지 않다는걸 부정한 거잖아! 라고 생각할 수 있지만 대단한 점은 이런 가설로 시작하여 수소 원자에서 일어나는 거의 모든 일을 정확히 예측했다는 점이죠. 특히 구글 메인에 구블구블한 선이 나오죠? 그게 전자가 n=3 인 궤도에서 n=2 인 궤도로 전이할 때 방출하는 빛, 즉 광자와  에너지 입니다.

이 가설을 지금 우리는 보어의 양자가설이라고 하고 나중이 좀머펠트와 합동해서 더 세련된 양자가설을 만들기에 이릅니다.

그러나 그것도 설명에 한계를 느껴 양자역학이 탄생하게 되고 현대와 같은 확률함수 모형이 탄생하게 되었죠.

어려운 얘기를 비껴가려 하니 설명이 모호한 점도 있고 어물쩡 넘어간 곳도 많네요. 천재 탄생 127주년 기념으로 이런 뜻깊은 글쓰기를 했다는 것으로 위안을 삼아야겠습니다.ㅎㅎ 궁금한점 있으시면 댓글달아주시고 태클도 겸허히 받겠습니다.

아 그리고...

이게 일본에서 발행한 토성 고리 모형 기념 우표입니다. 저 아저씨는 나가오카 한타로고 뒤에 토성 고리 모형 아래에 러더퍼드 원자모형이 보이네요! 우리나라에도 이렇게 기념할 과학자를 발굴해서 기념우표로 과학 대중화에 힘썼으면 좋겠습니다.ㅋㅋ