전자가 사는 곳에 무슨 일이?

전자와 원자 모형, 그리고 띠엄띠엄의 시작

우선 오늘의 주인공부터 소개합니다. 두구두구~ 그 친구는 바로~ '전자' 입니다!! 이미 익숙하신가요? 우리는 전기없이 살 수 없잖아요? 그 전기를 흘려주는 친구가 바로 전자입니다. 전선안의 엄청 많은 전자가 움직이면서 전기가 흐릅니다. 그게 아니어도 쉽게 만날 수 있는데요, 풍선을 머리에 막 비비면 어떤 일이 일어나죠? 풍선을 머리위에 들고 있으면 머리카락이 거꾸로 솟죠? 풍선에 붙으려고? 잘 아시는 정전기 입니다. 이것도 전자라는 이 친구가 머리카락에서 풍선으로 옮겨가서 나타나는 현상입니다.

이렇게 봐도 전자는 되게 작은가봅니다. 전선 안에서도 엄청 잘 움직여서 전기가 잘 흐르구요, 머리카락에서 풍선으로도 훌쩍 잘 뛰어넘잖아요~ 일단 엄청 가볍습니다. 9.109×10^-31 kg 이라고 하네요. 거의 1조×1조×1억 분의 1 kg 이군요. 이러니 마구 움직여 다니나봅니다. 크기는 너무 작아서 알 수도 없을 정도라고 하네요. 전기를 흐르게 하니 전하가 있을텐데, (-)전하를 가진다고 합니다. 이 정도면 소개가 되었을까요?

아, 중요한 것을 빼먹었네요. 어디에 사는지도 궁금하잖아요, 친구를 사귀면. 전자는 원자라는 곳에 주로 살고 있습니다. 우리가 수소원자, 산소원자 할 때 그 원자입니다. 물질의 특성을 가지는 가장 작은 단위라고 화학시간에 배우시죠? 거기에 주로 살고 있습니다.

이렇게까지 자세히 소개하는 이유는 엄청난 능력을 보여주는 주인공이기 때문이죠. 이미 저번 시간에 예고한 대로... 네~ 여고괴담의 귀신처럼 툭, 툭, 툭, 순간 이동을 하며 움직입니다! 아니 그토록 친숙한 전자가? 어떻게?

전자의 이야기를 천천히 이어 보자구요.

전자가 있는 원자안에는 (+) 전하를 가지는 무엇인가가 있음이 분명합니다. 평소에는 정전기 때문에 머리카락이 솟지는 않잖아요. 물건끼리 당기지도 않구요. (+)와 (-)가 있으면 0 이 될테니, 중성이 되어있을 거라는 것이죠. 이렇게 둘이 모여서 있을 것이라는 모형을 주장한 것은 생각보다 정말 요즈음입니다. 톰슨이라는 사람이 1897년에 전자를 발견하면서 주장되었다고 합니다. 원자는 크기가 있으니까, (+)의 구름이나 푸딩같은 것에 (-)인 전자가 콕콕 박혔다고 설명했습니다. 그래서 도체에 정말 센 전기력을 걸어주면 전자가 힘을 받아 튀어나오게 된다는 것이죠. 이것을 음극선이라 하고, 그것이 전자가 원자에서 탈출한 무리라는 것으로 설명했습니다.

이런 설명에서는 큰 문제가 될 것이 없었습니다. (+)의 푸딩에 (-) 전자가 건포도처럼 박혀 있으니 서로 당겨서 안정적으로 있을 거잖아요. 풍선 같은걸 비벼서 억지도 튀어 나오게 하거나, 전기력을 세게 걸어서 나오게 하지 않는 한 말이에요. 그래서 사람들도 다 만족하고 있었습니다. 러더퍼드라는 사람이 또 실험을 하기 전까지는.

러더퍼드는 알파입자라는 작지만 (+)전하를 띄는 입자를 금박에 쏘아서 어떻게 통과하는지를 실험했습니다. (+)가 푸딩처럼 있을 줄 알고 그 데이터를 얻으려 했다고 해요. 그런데, 엄청 강하게 튕겨 나오는 것들이 나타나더라는 겁니다. 이러려면 원자 안에 (+)를 가진 엄청 작은 입자가 가운데에 떡하고 있어야 하는데요, 원자 크기의 10만분의 1만한 크기로 말이죠. 그렇게 작게 뭉쳐있어야 강력하게 (+) 끼리 밀쳐내는 힘이 있을테니까요. 그것을 원자핵이라고 불렀습니다.

이 실험을 발표하자 또 해석할 것이 늘어나겠죠? 작은 (-)인 전자와 또 작은 (+)인 원자핵이 원자 안에 곁에 같이 있다는 것이잖아요. 그러면 서로 당길텐데, 딱 붙어버리지 않을까요? 그렇게되지 않으려면 태양 주위를 지구가 서로 당겨서 원운동하며 돌 듯, 전자가 원자핵 주변으로 돌아야 하겠네요. 오, 이러면 완전하게 설명이 된걸까요?

자... 이야기는 꼬리에 꼬리를 물고 더 나아갑니다. 전자가 원으로 빙빙 돈다고 했는데요, 이것은 마치 안테나에서 전자가 움직여대는 것과 비슷하죠? 그러면 전파(전자기파)가 생겨서 퍼져가겠네요. 그런데 원자핵과 가까운 전자는 빨리 돌테니 주파수가 크겠구요, 원자핵과 먼 전자는 천천히 돌테니 주파수가 작갰죠. 원자핵 주위를 도는 전자는 어떤 반지름을 가지고도 돌 수 있으니, 모든 주파수의 전파가 나올 수 있겠네요. 안테나에서와 같이. 그럴줄 알았는데요.

아, 또 일이 생기게 됩니다. 19세기 후반부터 20세기 초까지 수소 원자에서 나오는 전파를 측정했더니, 주파수가 연속이 아니었던 겁니다! 모든 반경이 가능할 것이라서 모든 주파수가 나올줄 알았는데, 띠엄띠엄하게 불연속으로 주파수가 나오다니! 이러면 반경이 띠엄띠엄 하다는 것이 되잖아요. 보어라는 사람이 바로 이렇게 과감하게 주장을 합니다. 그런데! 이 주장의 문제는... 그러면 다른 반경으로 갈 때에는 어떻게 간다는 거죠? 연속적일 때에는 그냥 나선모양으로 주욱~ 가면 그만인데요. 띠엄띠엄하게 불연속적인 반경의 원만 가능하다면...

다른 반경으로 가려면 뿅~ 하고 설마 텔레포트? 순간이동? 자 바깥에서 원자핵 근처까지 오면, 진짜 여고괴담 언니처럼 툭, 툭, 툭... 뿅! 하고? 그렇다는 거잖아요!

이건 너무도 상식적이지 않아서... 그 시기의 학자들이 난리가 납니다. 일단 실험에 대한 적절한 해석이니 대놓고 뭐라고는 못하고... 여하튼 학계에서 계속 싸워대기 시작합니다. 이게 또 흥미진진하겠죠. 싸움구경이란... 후후훗.

다음 시간에는 그 싸움 구경을 해 보시죠~