전자구름은 전자담배가 뿜는 담배연기가 아니다. 

최신 원자모형을 전자구름이라고 부른단다. ㅎㅎ

우리는 한동안 과연 요즘 고등학교 물리교과서는 어디까지 소개하고 있는지 궁금해했다. 

왜냐하면 우리가 학교 다닐 땐 러더퍼드의 태양계모형이나 닐스보어의 (궤도)원자모형을 배웠으니까. 

심지어 물리시간엔 항상 다른 숙제를 했던 기억이 생생한 나조차도 원자는 원자핵이 중앙에 있고,

그 주변을 전자가 일정한 궤도로 돈다? 정도를 알고 있으니까.

이번에 공부해보니 그 모형은 1913년 닐스보어의 주장인 셈이다.

일정하게 돈다는 건? 어떤 의미일까?

옆에 그림처럼 각각의 전자마다 일정한 궤도를 돈다는 것.

그러나 여전히 왜 일정한 궤도를 도는지 왜 궤도를 돌다가 이탈하지 않는지(에너지를 잃지 않는지)

등을 지금까지도 그 이유를 설명하지 못하지만, 어쨌든 당시엔 노벨상을 수상했다.(1922년) 

왜? 원자모형 그 자체는 불완전하지만, 그의 주장은 당시 빛에 관한 연구에 일말의 해답을 주었기 때문이다. 누구냐? 바로 아인슈타인의 빛연구가 그것이다. 

아인슈타인으로 넘어가기 전에 보어는 좀더 기억하기로 하자. 

어느 날 유키즈에 유희열 소속사의 가수 루시드폴이 나왔는데, 이전까지 그의 이력을 잘 몰랐는데

그가 덴마크에서 물리화학을 공부하고 네이처지에 논문을 게지했다고 한다. 덴마크? 헉? 왜 거기까지 가나? 했는데.

보어가 덴마크 출신이고 거기 물리학 연구소에서 원자구조론이 탄생했고, 이후 덴마크 코펜하겐 해석이라는 (연극으로도 만들어졌다)

양자역학의 주요한 근거가 된다. 

보어의 원자모형은 수소 원자를 이용한 것이다.

수소가 비교적 간단한 원자 구조를 가지고 있기도 하고,

그의 이론으로 수소 원자의 빛 스펙트럼이 왜 띄엄띄엄 선으로 표시되는 지를 

설명할 수 있었다. 그는 전자마다 일정한 궤도를 돌고 있다고 했는데,

각각의 궤도는 전혀 이어져 있지 않으며, 이러한 불연속성은 에너지 불연속성 개념으로 이어진다.

이것을 "에너지 양자화"라고 하는데, 원자 속 전자의 이동은 양자 도약이라고 부른다. 

그러면 왜 양자라는 이름으로 부를까? 

고전물리학에서는 에너지는 컨티뉴... 연속적인 개념이다. 

그러나 정지한 물체가 움직이는 운동에너지도 알갱이와 같이 불연속적이라는 개념이 등장했다. 가령 에너지 하나가 10이라면 계단 하나씩 내려갈 때마다 10, 20, 30... 정수배로 운동량이 증가하는 것처럼 말이다. 독일 과학자 막스 플랑크가 이 정수배를 플랑크 상수로 정의하고, 양자화 개념(quantum 양자)을 본격적으로 사용하기 시작했다.

그리고 이 개념을 근거로 보어는 전자가 각자의 궤도를 가지고 있지만 외부 압력으로 인해 전자가 이동할 때는

양자 도약한다는 개념을 창안한다. 세미나에서 미르님은 양자라는 이름이 헷갈린다고 하면서,

차라리 양자역학이라는 말대신 전자움직임, 알갱이 등이라고 사용하는 것이 낫다고 말씀을 하셨는데,

나도 어느 정도 동의한다. 그래도 양자화... quantized... 그리고 저 계단 그림을 떠올리면 좀 낫다.  

아이구야... 이제야 아인슈타인 얘기가 나온다.  

이미 1887년 헤르츠(우리가 전기 단위로 부르는 그 헤르츠 맞다)가 광전, 말 그대로 빛을 쬐니까 전자가 튀어나온다는 것을 발견했다.

아인슈타인은 1905년 그 광전효과를 설명한 논문을 쓴 것이다. 그는 여기에 플랑크 상수를 도입해서, 전자가 튀어나오는 것은

빛의 세기가 아니라 빛의 진동수가 특정한 값(플랑크 상수 같은)이 되어야 한다는 것을 밝혀낸다.

이것은 마치 저 위의 양자 개념처럼 빛 에너지를 알갱이로 가정한 것으로, 그는 광양자라고 부른다. 

아인슈타인은 빛은 진동(파동/연속적에너지)이기도 하고 입자(양자/불연속적 에너지)이기도 하다는 

빛의 이중성에 대해 가정했지만, 그 자신의 이론에 대해 스스로 납득했던 것은 아닌 것 같다.

(양자설을 주장하는 닐스 보어와 그 이후 끊임없이 논쟁한다.. 3차전까지??)

현대 원자모형은 어떻게 구름모양이 되었나?

원자 속 전자는 일정한 궤도를 돌지 않는다. 그렇다면 전자는 어떻게 존재하는가? 전자는 파동인가? 입자인가? 

슈뢰딩거의 파동방정식은 전자기장처럼 원자 속에 전자가 전체 퍼져 있다고 생각했다. 

가령 수소 원자의 경우 원자핵과 전자 하나로 구성된다. 그렇다면 전자 하나가 원자 속에서 전체적으로 퍼져있다?

뭔가 이상하다는 것을 슈뢰딩거도 인정했다. 그의 방정식은 쉽게 받아들여졌지만, 그가 파동방정식을 해석하는 방식은

많은 의문점을 남겼다. 이때 막스 보른이 등장한다. 그는 전자는 입자라고 생각했기 때문에 

슈뢰딩거의 파동방정식에서의 파동 역시 입자로 생각하고, 공간 전체에 퍼져 있는 파동함수는 입자가 발견될 확률이라고 해석한다.

따라서 전자가 언제 어디에 있을지를 파악하는 것은 불가능하다고 주장한다. 

이때 원자 속 전자의 파동함수를 오비탈이라고 하며, 양자수에 따라 전자의 방위, 모양, 갯수 등이 결정된다고 한다. 

전자 구름은 뭉게뭉게 구름모양이기도 하지만 내가 보기엔 구름에 가려 전자가 어디에 있는지 모른다는 중의적 표현??인 것 같다. 

막스 보른이 오비탈 개념으로 만든 전자 구름 모형은 다음 시간에 더 구체적으로 나온다... 원소기호와 함께.  

헥헥.. 다음 시간은 <냉자고를 여니...> 2부, 3부를 다 읽기로. 

발제는 1페이지 미만으로 준비해주시면 됩니다.  

끝날 때 미르님이 한 마디 하셨는데, 제가 집에 갈 시간이 다 되가니까 마음이 급해져서 기억이 안나네요. 

뭐였죠? 엄청 좋은 얘기였는데...  댓글로 달아주세요.