에과12: 양자역학의 발견

에피소드 과학철학

열두째 주: 양자역학의 등장

X선 발견: 방전이란?

방전이란 넓은 의미로 대전체가 전하를 잃는 현상을 말한다.

좁은 의미의 방전이란, 기체와 같이 전류가 잘 흐르지

못하는 물체가 고전압 하에서 절연성을 상실하고 전류가 흐르는 현상을 말한다.

X선 발견: 방전이란?

유리관을 만들어 그 안의 기압을 점차로 낮추어주면서 고전압을 걸어주면 압력의

크기에 따라 방전현상이 다양하게 나타나는데, 이것을 진공방전이라 한다. 이러한 현상이

나타나는 이유는 음극에서 나오는 전자가

유리관 속의 기체를 이온화시켜 전류를 흐르게 하고, 또한 기체와 충돌하여 독특한 빛을

발생시키기 때문 이다.

X선 발견: 아크 방전과 글로 방전

과학자들은 유리관 내의 압력이 50 ~ 20mmHg* 정도가 되면, 관속에 끈 모양의 붉은 보라색으로 빛나는 아크

방전이 나타남을 알았고, 압력이 더 낮아지면 유리관 전체가 빛을 내는 글로 방전현상이 나타남을 관찰하였다. 이러한 글로 방전에서는 유리관 속에 존재하는 소량의 기체 종류에 따라 특별한 색깔을 띠 는 것도 발견할 수 있었다. 이 현상을 이용한 것이 지금의 밤거리를 휘황찬란하게 해주는

네온사인이다.

X선 발견: 음극선

진공유리관의 (-)극에 강한 전압을 걸어주면 갑자기 전류가 흐르기 시작한다. 이러한 현상이 나타나는 이유는 (-)극에서 어떤 선이 나와 (+)극 쪽의 유리관에 충돌하였기 때문이라 생각했고, 이 선을 음극선 (cathocle rays)이라 불렀다.

그러나 음극선의 본질에 대해서 알지 못했다. 후에 음극선은 톰슨에 의해 (-)전하를 띤 입자, 즉 전자의 흐름임이

밝혀졌다.

X선 발견: 뢴트겐

1895년 독일 물리학자 뢴트겐 (Wilhelrn K. Rontgen, 1845 ~ 1923)도 음극선을 여러 가지 물질에 입사시켰을 때

나타나는 현상을 연구하고 있었다. 어느 날 그는 검은

종이에 싸여 있는 진공방전관 안에서 음극선을 금속박편에 입사시키는 실험을 하고 있었다. 우연히 책상 위에는 빛을 쪼이면 감광 현상을 보이는 백금시안화바륨 종이가

있었는데, 이 종이가 감광되었다다. 그 때까지의 상식으로는 검은 종이로 싸여진 진공방전관 내에서는 빛이 나올 수가 없었다.

X선 발견: 발생원리

진공방전관 내 (-)극에서 방출된 전자가 유리관에 가해진 고전압에 의해 높은 운동에너지를 갖게 되고, 이 전자가 (+) 극에 있는 텅스텐이나 몰리브덴과 같은 금속과 충돌할 때 속도가 0 이 되면서 앞에서 언급한 빛 , 즉 X선이 발생한다.

이 때 전자가 갖고 있는 운동 에너지가 X선 광자가 최대로 가질 수 있는 에너지가 된다.

X선 발견: 활용

이 광선은 사람들의 호기심을 불러일으키기에 충분했다.

X선에 의해 사람의 내부를 찍어 의학에 이용한다는 생각은 누구라도 할 수 있었으며, 1896년 골절 환자의 진료에 X선이 처음으로 사용되었다. 또한 의료용으로 사용되었던 것과

별도로 과학에서는 X선을 물질 내부의 결정구조를 알아내는 수단으로도 사용하게 되었다. 그리하여 DNA 구조를밝혀낼 때도 X선에 의한 회절상이 이용되었다.

전자발견: 편리한 전류

장난감을 작동시킬 때, 또한 자동차의 시동을 켤 때,

가스렌지를 점화할 때, 시계의 초침이 움직이는데, 이런

모든 경우에 전류가 필요하다. 신기하게도 사람들은 전류가 흐르는 구체적인 과정과 원인을 알지 못했지만 전류를

만들어 내는 방법은 알았고, 이렇게 만든 전류를 이용하여 불을 켜고, 전동기를 돌리고, 더 많은 전류를 사용하기 위해 발전기를만들었다.

전자발견: 전류란 무엇일까?

이러한 전류는 전하의 흐름으로 정의된다. 도선 내에서 전류가 흐른다고 할 때 전자가 이동하기 때문에 전하의 흐름이 생긴다는 것이 현재 우리가 알고 있는 사실이다.

전지가 1800년에 발명되고 전자가 1897년에 발견되었으니 거의 100년의 세월을 전자의 존재를 모르고 전지를

이용하며 살았던 것이다. 이런 이유로 전류의 방향은 전자 발견 이전에 이미 약속에 의해 (+)→( - )극으로 정해져

있었다. 그러나 실제 전류를 만드는 전자의 이동 방향은 (-) 극에서 (+ )극 방향이다.

전자발견: 음극선: 입자설과 전자기파설

전자는 1897년 톰슨(J.J. Thomson , 1856 - 1940)에 의해 발견되었다. 크룩스가 음극선을 발견한 후 음극선의 본질은 전하를 띤 입자(대전입자)라는 주장과, 빛과 같은

전자기파라는 주장이 대립되고 있었다. 케임브리지 대학의 실험물리학교수인 톰슨은 X선이 발견되기 몇년 전부터

진공관 내에서의 전기 방전을 연구하고 있었다.

전자발견! 비전하

이 상황에서 톰슨은 전자의 비전하(e/m)를 측정하는실험에 성공함으로써 전자의 존재를 확실히 증명할 수 있었다. 즉 자기장과 전기장이 수직으로 걸려 있는 공간에 음극선(전자) 을 입사시켜 전기장에 의해 받는 힘과 자기장에 의해 받는 힘이 같아지게 하여 등속직선 운동을 하도록 하였다. 이후 자기장을 끄고 전기장 속에서 일정한 거리를 통과하게 하여 전자를 휘게 하였다. 이 결과 톰슨은 전자의 휘는 각도와

전자가 전기장 속에서 통과한 거리를 측정하여 전자가 가진 전하와 질량의 비를 구할 수 있었다.

전자발견: 전자의 전하량

이어 밀리컨 (R. A. Millikan , 1868-1953)은 대전된

기름방울에 전압을 걸어 전기력을 받도록 하되, 중력과 반대 방향으로 받도록 하여 공기 중에 정지하도록 만든 후 이

때의 전압의 크기를 측정했다. 이후 기름방울을

자유낙하시켜 종단 속도를 측정하여 기름방울의 질량을 측정한 후 기름방울이 띤 전하를 계산하였다. 밀리컨은 이 실험을 수천번 반복하여 전하량의 최소의 양, 즉 기본적으로 양자화된 전하, 전자가 가진 전하량 e=1.602 x W- 19 C을 측정할 수 있었다

원자모형의 변천사 (출처: 위키피디아)

톰슨 모형 러더퍼드 모형 보어 모형 현대 원자 모형

원자 내부에

전자들이 건포도처럼 박혀 있다

양성자로 된 핵이 있고 여기에 대부분의 질량이 분포한다. 이 주위를 전자들이 돌고 있다

전자는 양자조건을 만족시키는 특정 궤도에 존재. 이 상태에서는 에너지 방출 없이 안정하다

전자 궤도가 없고 전자가 발견될 확률만을 알 수 있다

양자가설: 플랑크

양자(量子, quantum)라는 용어를 처음 제안한 사람은

플랑크(Max Planck, 1858~ 1947) 이다. 그는 빛을 전자기 에너지가 집중된 덩어리라고 생각했다. 그는 이러한

덩어리의 최소량을 나타내는 기본단위를 양자라고 불렀다.

우리 주변의 많은 양들도 어떤 기본단위의 배수로 되어 있다. 예를 들면 모든 전하량은 전자가 가진 전하의

배수이다. 또한 구리로 만들어진 동전의 질량은 구리 원자량의 배수이다.

양자가설: 시작

양자설은 달구어진 고체에서 방출되는 빛에 대한

연구로부터 시작되었다. 1792년 헤지우드라는 영국의

도자기 굽는 사람이 처음으로 열을 받는 물체들이 보여주는 공통적인 성질을 발견했다. 그는 모든 물질이 화학적인

조성이나 크기, 모양에 관계없이 같은 온도에서 붉은 색을 띠는 것을 발견했다.

양자가설: 키르히호프의 정리

이어서 1859년에는 키르히호프 (GustavRobert Kirchhoff.

1824-87)가 열평형상태*에 놓여있는 물체가 방출하는 에너지는 단지 빛의 진동수 v와 물체의 절대온도 T 에만 관계된다는 정리를 발표했다.

*뜨거운 물과 차가운 물을 섞으면 미지근해지면서 온도가 같아지는 상태를 보통 열평형상태라 한다. 여기에서는 흑체를 계속 가열하면 흑체(다음 슬라이드 참조)가

흡수하는에너지와 복사하는 에너지의 양이 같아지게 되는데, 이 때의 상태를 말한다.

양자가설: 흑체

열복사의 일반적인 경우 복사하는 빛의 스펙트럼은 물질마다 다르다.

이러한 불편함을 피하기 위하여

키르히호프는 물질의 종류나 모양과 상관없이 받은 에너지를 모두

흡수했다가 열평형 상태에 도달하면 복사하는 물체로서 흑체를

가정하였다. 그러한 물체의 한 예로서 공동복사체를 생각할 수 있다.

양자가설: 고전이론과 연속적인 에너지

플랑크는 흑체복사가 미시적인 전자기 진동자(공동 안에 있는 전자기파, 공명자, resonator) 에 의해 나온다고

생각했다. 공동 안에는 서로 다른 진동수를 가진 공명자들이 있으며, 이들은 각각 자신의 진동수에 따른 복사파

(전자기파인 빛)를 방출한다. 고전 이론에 따르면 각각의 공명자들은 양자화된 에너지만 가질 수 있는 것이 아니라, 어떤 에너지나 가질 수 있고, 또한 자신의 에너지의 일부를 연속적인 양으로 복사할 수 있었다.

양자가설

그러나 플랑크는 공명자의 에너지 E는 단지 hv의 정수배만을 가진다는 가정을 하였다. 즉，

E_resonator= nhv. (n: 1, 2, 3,..., h : 플랑크상수, v: 진동수) 뿐만 아니라 진동수 v를 가진 공명자는 더 낮은 허용된

에너지만 가질 수 있고, 복사란 그 차이의 에너지가 나오는 것이라고 하였다. (왜 그럴까?)

광양자설: 고전 이론과 광전효과

아인슈타인에게 1921년 노벨 물리학상을 안겨준

광양자설은 광전효과라 불리는 실험을 설명하는 과정에서 제안되었다. 빛을 금속판에 비추면 전자가 튀어나온다. 빛이 파동이라는 고전적인 해석에 의하면 전자가 빛을 받을 때 빛을 오래 비추면 많은 에너지가 축적되어 높은 에너지의 전자가 튀어나와야 한다.

광양자설: 실험에서 보는 광전효과

즉 빛의 세기가 약할지라도 시간만 있으면 전자는 튀어나올 수 있어야 하며, 쪼인 빛의 세기가 셀수록 방출되는

광전자의 에너지가 커져야 한다.

그러나 실험 결과 금속판에 쪼인 빛의 진동수가 어떤 특정한 값, 즉 한계진동수보다 작으면 아무리 센 빛을 오래 비춰도 전자는

튀어나오지 않았다.

광양자설: 광전효과

아인슈타인은 이에 대해 빛을 에너지 덩어리, 즉 양자로 보아 광량자 또는 광자로 부르고, 이 광자가 가지는 에너지 E는 플랑크 상수 h와 빛의 진동수 v의 곱으로 표시된다고 하였다 (E=hv). 금속판에 빛을 쪼일 때 하나의 광자가

하나의 전자와 충돌하여 그 에너지를 전달함으로써 전자가 금속표면에서 튀어 나온다고 설명하였고, 이때의 에너지는 적어도 전자가 원자핵의 속박을 벗어날 수 있는 양이어야 한다고 하였다.

광양자설: 광전효과

따라서 쪼인 빛의 세기가 세다는 것은 많은 광자가 많은 전자와 충돌할 가능성을 말하며, 빛의 진동수가 커야만 개개의 전자가 큰 에너지를 받을 수 있음을 설명해 준다.

이 설명으로 광전효과의 실험결과는 쉽게 이해되었다.

그리하여 이 실험은 플랑크의 양자설을 뒷받침했을 뿐 아니라 빛의 입자성을 증명하는 현상이 되었다.

인간 혈액형 발견: 양의 피

17세기 유럽의 의사들은 수술시 발생하는 혈액 과다출혈에 의한 사망을 줄이기 위해 양의 피를 사람에게 수혈하는

실험을 하였다. 당시로서는 매우 획기적인 생각이었으나 수혈받은 사람은 죽었다. 그후 동물과 사람 사이의 수혈은 금지되었고, 거의 150년 동안이나 이 분야는 발전하지

못했다.

인간 혈액형 발견: 응집현상

그러다가 1875 년 독일의 란도이스는 사람과 동물간의 수혈실험을 통해 적혈구가 파괴되거나 덩어리를 이루는 것을 관찰했다. 빈의 의사였던 란트슈타이너(Karl

Landsteiner , 1868~ 1943)는 이러한 응집현상에 주목하여 인간의 혈액에 대한 연구를 본격적으로 시작하였다.

인간 혈액형 발견: 타인의 피

란트슈타이너는 의학과 화학을 공부했고, 이를 바탕으로 혈액의 구성에 대해 중점적으로 연구했다. 그는 사람의

혈액은 서로 다른 형태를 가지며, 이중 일부는 서로 섞일 수 없음을 알았다. 즉 한 사람의 혈액을 다른 사람의 혈청

(혈장에서 적혈구와 혈소판을 제거한 나머지 혈액)과 섞으면 혈액의 적혈구가 응집했던 것이다. 만약 수혈을 하는 도중에 적혈구가 응집한다면 이는 혈관의 혈액 순환을 막고 결국 환자는 죽게 되는 것이다.

인간 혈액형 발견!

그러나 사람의 어떤 혈액끼리는 서로 응집하지 않고 섞일 수 있다는 사실도 알 수 있었다. 1901 년 인간의 혈액은 A , B , C(C는 그 뒤 O로 바뀌었다)라고 불리는 특정한 응집요인을 함유하고 있는 세 개의 혈액형으로 나뉠 수 있다는사실을 발견했다. 또한 혈액의 응집은 질병 때문이 아니라 정상적인 화학반응이라는 것도 증명하였다. 1년 뒤에는 AB형도

밝혀졌고, 사람은 누구나 이 네 가지 혈액형 중 한 가지 혈액형을 가진다는 것이 발표되었다.

인간 혈액형 발견: 최초의 (안전한) 수혈

란트슈타이너의 발견은 의학계에 엄청난 호응을 받았다.

1907년 최초의 수혈이 있었는데, 이것은 마취법과 무균법에 이어서 외과수술을 보다 안전한 것으로 뒷받침해 주는 또 하나의 핵심적인 발전이었던 것이다.

인간 혈액형 발견: 멘델의 유전법칙

처음 혈액형이 발견되었을 때는 이것이 유전에 깊은 관련이 있다는 사실을 몰랐다. 그러나 그 무렵 재발견된 멘델의

법칙이 혈액형의 결정에 적용될 수 있디는 것이 밝혀졌다.

이는 궁극적으로 혈청 유전학으로 발전하였고, 친자 여부를 확인하는 결정적인 수단을 제공하였다.

인간 혈액형 발견: 각종 응용

란트슈타이너는 여기에서 더 나아가 인간 혈액의 개별성을 인식하여 혈청학에 ‘지문’ 이라는 개념을 도입해 법의학

연구에도 큰 기여를 하였다. 이후 그는 의학에 화학적 지식을 적용해 면역학 분야에서 소아마비를 일으키는 바이러스와 매독, 항원-항체 반응, 알레르기 반응 등을 연구하였고, 다방면에 걸쳐 많은 일을 해냈다. 이러한 공로로 그는 1930년 노벨 생리의학상을 받았다.

토론거리

Q1: 다시 한번 베이컨의 귀납적 방법론을 생각해 보자.

전자의 발견 또는 혈액형의 발견에 그의 방법론이 효과적으로 적용될 수 있을까?

Q2: 데모크리토스의 원자설과 플랑크의 양자가설을 한번 비교해보자. 전자는 질량에 있어서 최소단위가 있다는 주장이라면 후자는 무엇에 있어서 최소단위가 있다는

주장일까? 왜 현대물리학은 입자물리학이 지배하는 학문이 되었나?