제 편 현대물리학의 탄생 4
제 장 어니스트 러더퍼드 1 - 원자핵의 발견
러더퍼드는 제자 마스든에게 알파입자를 금 박막에 충돌시키는 실험을 하도록 했다 그 실험 결. 과를 분석하는 과정에서 원자 중심부에 모여있는 양전하인 원자핵을 발견하였다 러더퍼드가 원자핵. 의 존재를 학계에 발표한 때가 1911년이다.
원자핵의 발견도 그동안 인간이 발견한 수많은 신통한 것들 중 하나라고 생각하면 안된다 원자핵의. 발견은 인류의 역사를 송두리째 바꾸어 놓은 중요한 과업의 시발점이었다.
하늘에서 반짝이는 별들은 모두 밤에 동쪽 하늘에서 떠서 서쪽 하늘로 진다 모든 별들이 함께 사이. 좋게 지구 주위를 원을 그리며 도는 것처럼 보인다 그런데 그 중에서 행성이라고 불리는 몇개의 별. 이 수많은 별들 사이에서 제멋대로 움직이고 있는 것처럼 보였다 앞에서 이야기했던 것처럼 코페르. , 니쿠스는 이 현상을 이치에 맞게 설명할 수 있는 방법으로 지구가 태양 주위를 행성들과 함께 회전 한다는 지동설을 제안한다 브라헤. (Brache)는 지동설이 과연 올바른 모형인지 확인하기 위하여 수십 년 동안 행성들을 관찰하고 그 위치를 꼼꼼히 기록한다 케플러. (Kepler)가 브라헤(Brache)의 자료를 분석하여 마침내 지구는 행성들과 함께 태양 주위를 타원을 그리며 회전하는 것이 틀림없다는 결론 을 내린다.
이렇게 코페르니쿠스 브라헤, (Brache), 케플러(Kepler)가 뉴턴(Newton)으로 하여금 자연의 법칙을 알아낼 수 있도록 길을 닦아주었다 뉴턴. (Newton)은 케임브리지 대학교 2학년 학생일 때 행성들이 태양 주위를 타원을 그리며 회전하는 이유가 무엇일지를 곰곰히 생각하였다 뉴턴. (Newton)은 멀리 떨어진 물체도 서로 잡아당기는 힘을 작용하고 있다고 생각하였다 뉴턴. (Newton) 이전 사람들은 두 물체가 접촉하였을 때만 힘을 작용한다고 믿었다 그래서 멀리 떨어진 물체 사이에도 힘이 작용할. 것이라는 제안은 획기적인 생각이었다. 이것이 바로 뉴턴(Newton)의 만유인력 법칙이다. 뉴턴 시대의 다른 사람들도 행성들이 태양 주위를 회전한다면 태양이 어떤 방법으로든 행성에 (Newton)
힘을 미치는 것이 아닐까 생각하였다 그렇지만 그렇게 확신할 수 없었던 이유는 오른쪽 그림과 같. 이 만일 태양이 행성에 힘을 작용한다면 태양 방향으로 잡아당기는 것일 텐데 행성이 움직이는 방향 과 태양이 행성을 잡아당기는 힘의 방향이 일치하지 않기 때문이었다 아리스토텔레스 시대부터 중. 세를 거쳐 뉴턴(Newton)에 이르기까지 오랜 기간동안 사람들은 물체가 힘을 받으면 움직이고 힘을 받지 않으면 정지한다고 생각하였다 즉 힘은 물체를 움직이게 하는 원인이라고 생각하였다 그래서. . 물체가 힘을 받으면 물체의 위치가 힘의 방향으로 이동한다고 생각하였다 뉴턴. (Newton)은 행성들이 태양 주위를 타원 궤도를 그리며 움직이는 것을 설명하기 위해서는 힘의 역할이 달라야 한다고 믿었 다 그리고 뉴턴. (Newton) 이전에 이미 힘을 받지 않는 물체는 정지한다는 생각이 잘못된 것임을 밝 힌 사람이 있었다 그가 바로 이태리의 갈릴레오이다 갈릴레오는 물체가 힘을 받지 않으면 직선 위. . 를 일정한 빠르기고 계속 움직인다는 점을 증명하였다 그것을 갈릴레오의 관성의 법칙이라고 부른. 다 그래서 뉴턴. (Newton)은 마침내 자연법칙 즉 올바른 운동법칙을 발견하기에 이르른다 물체는 힘, .
을 받으면 움직이는 속도를 바꾼다. (그 이전에는 물체는 힘을 받으면 위치를 바꾼다라고 생각함 속) 도가 바뀌는 방법에는 두가지가 있다 하나는 움직이는 빠르기 즉 속력 이 바뀌는 것이고 다른 하나. ( ) 는 움직이는 방향이 바뀌는 것이다 물체가 움직이는 방향과 동일한 방향으로 힘을 받으면 물체는. 더 빨리 움직이게 되고 즉 빠르기가 증가하고 물체가 움직이는 방향과 수직인 방향으로 힘을 받으면 움직이는 빠르기에는 변함이 없고 움직이는 방향만 받은 힘의 방향을 향해 조금 바뀐다 이것이 뉴. 턴(Newton)의 운동법칙 우리가 흔히, F=ma 로 알고있는 법칙이다.
지구를 포함한 행성들이 태양으로부터 만유인력 법칙에 의한 힘을 받고 뉴턴(Newton)의 운동법칙 에 의해 움직인다고 생각하면 행성들이 태양 주위를 타원 궤도를 그리며 움직인다는 케플러(Kepler) 법칙을 10분 이내에 증명해 보일 수 있다 뉴턴. (Newton)의 운동법칙은 행성들의 운동에만 적용되는 것이 아니라 지상에서 일어나는 모든 자연 현상에도 역시 적용된다 즉 우주 만물은 한가지 간단한. 법칙에 의해 작동되는 것이었다 그래서 뉴턴. (Newton) 이후 300면 동안 학자들은 우리 주위에서 관 찰되는 갖가지 현상에 뉴턴(Newton)의 운동법칙을 적용하면서 너무나 잘 들어맞는 것에 놀라와 하였 고 이제 자연 현상에서 인간이 모르는 비밀은 없다고 생각하게 되었던 것이다.
이제 다시 원자핵으로 돌아가자. 19세기 말에 이르기까지 사람들은 원자나 분자에 대해 구체적 인 지식을 갖고 있지 못하였다 단지 추상적으로 물질의 성질을 갖는 가장 작은 단위를 원자라고 생. 각하였을 뿐이다. (정확히 이야기하면 물질의 성질을 지닌 가장 작은 단위는 분자이다, .) 원자를 지칭 하는 Atom 은 그리스어로 더 이상 나눌 수 없는 존재라는 뜻이다 그래서. 19세기 말에 이르러 인간 이 자연의 비밀을 다 알게 되었지만 원자만큼은 더 이상 쪼갤 수 없고 그 내부 세계를 신이 인간에 게 알도록 허락하지 않을 것이라는 생각이 일반적이었다 그런데 놀랍게도 러더퍼드의 실험 결과에. 의하면 원자 내부는 아무 것도 없는 텅 빈 공간이었고 원자 질량의 99.99% 는 원자 중심부의 극히 작은 부피에 모두 모여있었던 것이다 비유로 말하면 잠실 운동장이 원자의 크기라면 원자핵의 크기. 는 모래 한 알의 크기와 같다 중심부의 모래 한 알을 제외하고는 원자 내부가 모두 비어있었던 것. 이다. 그리고 더욱 놀라운 일은 이 원자 내부에서는 뉴턴(Newton)의 운동 법칙이 적용되지 않는다 는 것이다 우리 주위 세계를 거시세계. (巨視世界) 라고 부른다면 원자 내부 세계를 미시세계 (微視 라고 부른다 러더퍼드가 원자핵을 발견하고 나서 거시세계에서 성립하는 자연법칙이 미시세계
) .
世界
에서는 전혀 성립하지 않는다는 것을 알게된다 그래서 거시세계의 자연법칙을 알아내는데 코페르니. 쿠스 브라헤, (Brache), 케플러(Kepler) 등의 준비작업이 필요하였던 것처럼 미시세계의 자연법칙을, 알아내는데 오랜 준비기간이 필요하게 된다.
제 장에서는 러더퍼드와 러더퍼드의 원자핵 발견 그리고 원자핵이 발견되고 나서 원자에 대해1 , 사람들의 생각이 어떻게 발전하였는가 등에 대해서 공부한다.
어니스트 러더퍼드 1-1.
러더퍼드(1871 - 1937)는 영국에서 새로운 삶을 개척하기 위해 뉴질랜드로 이민온 부모에게서 출생한 뉴질랜드 이민 2 세이다 그는 뉴질랜드에서 공부를 아주 잘하는 모범생이었으. 며 자기 집 지하실에 실험실을 만들어 놓고 당시에 처음 알려 지기 시작한 전자기파 발생장치를 직접 만들어 무선으로 신호 를 주고받는 실험도 혼자 해보는 등 탐구력이 강한 활발한 학 생이었다.
러더퍼드는 자기집 농장에서 감자를 캐고 있던 중 영국의 케이 브리지 대학으로부터 장학생으로 오라는 통지를 받았다 그는.
통지를 보자마자 감자를 캐던 호미를 던지며 이것이 내가 캔 마지막 감자다 라고 외치고 영국으로" "
떠났다.
러더퍼드는 케임브리지 대학교의 캐번디시 연구소에서 공부를 시작하였다 당시 캐번디시 연구소 소. 장인 톰슨은 전자를 처음으로 발견하는 등 당시 물리학계에서 가장 활발히 활동하는 학자였다 러더. 퍼드는 톰슨의 지도아래 당시 한창 관심의 대상이었던 X선과 처음으로 발견된 방사능에 대해 연구하 기 시작하였다 처음에는 영국 학생들에게 시골뜨기라고 따돌림을 받기도 했으나 워낙 활달하고 연. 구 분야와 실험에 대한 아이디어가 많았기 때문에 캐번디시 연구소에서 가장 두각을 나타내는 학생 이 되었다.
케임브리지 대학에서 공부를 마친 러더퍼드는 1898년 캐나다 맥길대학교 교수직을 제의받고 당 시 세계에서 가장 좋은 연구 환경을 갖춘 캐번디시 연구소를 떠나는 것이 마음에 내키지는 않았지만
결혼도 하고 생활을 꾸려나가기 위하여 캐나다로 떠났다 그 시절 캐나다는 물리학 연구의 중심지인. 유럽에서 동떨어진 곳이었지만 러더퍼드는 맥길대학교의 재능있는 화학자 소디와 함께 방사성 원소 의 성질을 규명하는데 괄목할 만한 성과를 거두었다.
러더퍼드는 1907년까지 맥길대학교에서 연구하는 동안 모든 방사성 원소가 저절로 다른 원소로 변 한다는 사실을 증명하였다 당시에는 원소란 절대로 다른 원소로 바뀔 수가 없다고 철저히 믿고 있. 었기 때문에 이것은 대단한 발견이었다 러더퍼드는 이 공로로. 1908년 노벨 화학상을 수상하였다.
원소가 바뀌는 것을 화학반응으로 잘못 알고 화학상을 수여한 것이었다 러더퍼드 자신은 화학이 진. 정한 의미의 학문이 아니라고 늘 생각하고 있었으므로 물리만이 진정한 학문이라고 생각( ?) 이 상이 난처하였지만 즐겁게 수상하였다 그는 노벨상 수상 연설에서 자기가 물리학자에서 화학자로 바뀐. 것은 원소의 변화보다도 더 놀라운 일이라고 말했을 정도였다.
러더퍼드는 캐나다 맥길대학교에서 중요한 연구 성과를 많이 얻었으나 항상 물리학의 중심지에서 소외된 느낌을 받던 중 영국의 맨체스터대 학교에서 와달라는 제의를 받고 즉시 수락하였다 그는. 1908년 말 영 국에 도착하여 맨체스터대학교에서 연구하면서 원자핵의 발견 등 중요 한 업적을 많이 이룩하였다 맨체스터 대학교에서 재직하던 기간이 러. 더퍼드 연구의 절정기였다.
러더퍼드는 많은 연구업적을 내었다 그 중에서 중요한 것을 살펴보. 면 방사능 원소에서 나오는 무엇인지 모를 세가지 방사선 알파선 베, , 타선 감마선 중 알파선이 실제로 헬륨 원자핵임을 증명하였다 또한, .
방사능 붕괴 측정을 토대로 지구의 나이가 켈빈경이 제안한 대략 6,000년 이 기간은 성경에서 창세( 기로부터 추정한 기간과 맞먹는다 보다 훨씬 더 오래되었음을 보여주었다) .
년 영국 왕실에서는 러더퍼드의 이러한 과학적 업적을 공식적으로 인정하여 러더퍼드에게 작위 1914
를 수여하였다 그 후 러더퍼드는 러더퍼드 경으로 불린다 영국 왕실에서 과학자에게 작위를 수여한. . 것은 뉴턴(Newton)이 처음이었지만, 과학자가 작위를 받는 일이 흔한 일은 아니었다. 그 후에도 년 러더퍼드는 중성자의 존재를 예언하는 등 나중에 채드윅이 이 입자가 실제로 존재함을 실험
1920 (
으로 발견함 수많은 업적을 남겼다) .
전자의 발견과 톰슨의 원자 모형 1-2
원자핵이 발견되기 이전에 사람들은 원자에 대해 어떤 생각을 가지고 있었을까? 물론 원자의 성질에 대해 생각해 볼 만한 아무런 정보도 갖고 있지 못할 대는 원자란 인간이 더 이상 자세히 알 수 없도 록 정해진 존재라고 막연히 상상하였다 어쩌면 별들이 반질 반질한 수정구 처럼 생겼으리라고 믿었. 듯이 원자도 완벽한 구형의 절대로 더 쪼개지지 않는 반짝이는 수정구 모양이 아닐까 상상하였을 것 이다.
그런데 오랜 중세기간 동안 과학 자체는 별로 발전하지 못하였지만 소위 연금술을 연구하면서 많은
화학반응에 대해서는 잘 알려지게 되었다 연금술이란 값싼 금속을 가지고 신기한 반응을 통하여 금. 과 같이 값비싼 금속을 만들 수 있는 기술을 말한다 뉴턴. (Newton)도 말년에는 이 연금술에 상당한 관심을 보이고 연구하였다고 한다.
잘 아는 학생들도 많겠지만 여기서 우선 원자(Atom)와 분자(Molecule) 그리고 화학반응에 대해 확실 히 하고 넘어가자 화학반응이란 물질과 물질을 섞어서 다른 물질을 만드는 과정을 말한다 간단한. . 예로 수소 기체를 태우면 물이 생긴다 잘 아는 것처럼 이것은 수소 기체와 산소 기체가 결합하여. , 물이 된 것이다 이 때 우리는 수소 분자와 산소 분자가 합하여 물 분자를 만든다라고 말한다 이렇. . 게 주어진 종류의 분자들로 부터 전혀 다른 종류의 분자를 만드는 반응을 화학 반응이라고 한다 그. 리고 그러한 물질의 성질을 유지한 가장 작은 기본 단위가 분자이다.
그렇지만 얼음을 녹여서 물을 만들고 물을 끓여서 수증기를 만들 때 이것을 화학 반응이라고 부르지 는 않는다. (반응이라고 부르지도 않지만 궂이 반응이라고 부른다면 물리 반응이라고 한다.) 그것은 얼음이나 물이나 수증기나 모두 동일한 분자로 이루어져 있기 때문이다 다만 얼음의 경우에는 분자. 들이 모두 단단히 연결되어 있고 물의 경우에는 분자들 사이의 연결이 많이 끊어져 있으며 수증기의 경우에는 개개의 분자들이 전혀 연결되지 않고 혼자서 자유롭게 움직인다.
물의 경우에만 얼음 고체( ), 물 액체( ), 수증기 기체 등 서로 다른 상태로 존재하는 것이 아니라 모든( ) 물질이 그렇게 세 가지 상태로 존재할 수 있다 단지 물질에 따라서 고체 액체 기체로 존재하는 온. , , 도가 다를 뿐이다 그래서 항상 고체로 존재하는 것처럼 보이는 쇠덩어리도 열을 가해 온도를 높게. 하면 액체로 그리고 더 높게하면 기체로 바뀌고 항상 기체로 존재하는 것처럼 보이는 산소도 온도를 낮추면 액체로 그리고 더 낮추면 고체로 바뀐다.
분자를 더 쪼개면 원자가 된다 원자는 더 이상 물질의 성질을 갖고 있지 않다. . (물론 단 한개의 원 자로 존재하는 물질도 있다.) 세상에는 수많은 종류의 물질이 그러니까 수많은 종류의 분자가 있지, 만 자연에 저절로 만들어져 있는 원자는 단지 92가지만 존재한다 가장 가벼운 원자가 수소이고 가. 장 무거운 원자가 우라늄이다 그래서 가벼운 순서로 번호를 매겨서 수소의 원자번호가. 1, 헬륨의 원 자번호가 2, 가장 무거운 우라늄의 원자번호가 92이다 그리고 이들 원자의 무게가 이 원자번호에. 거의 비례하게 되어있다 그래서 헬륨 원자의 무게는 수소 원자 무게의 대략 두배 우라늄 원자의 무. , 게는 수소 원자 무게의 대략 92배이다.
연금술을 연구하면서 물질과 물질 사이의 관계인 화학반응에 대해 많이 알게 되었고 그러한 화학반 응을 체계적으로 설명하기 위해 원자의 존재가 가정되고 원자의 주기율표 등 원자에 대한 많은 연구 가 이미 18세기까지 이루어지게 되었다.
그러나 원자 자체가 어떻게 생긴 것일까라는 의문을 제기하는 일은 지금으로부터 100년전 (18세기 말 톰슨) (Joseph John Thomson, 흔히 JJ 톰슨이라고 부름 에 의해 전자가 발견된 이후에야 가능하) 였다 톰슨은 러더퍼드가 공부하였던 캐번디시 연구소 소장으로 러더퍼드를 지도한 사람이다. . (톰슨 은 1906년 노벨 물리학상을 수상하였다.) 물질의 기본 단위는 분자이고 분자는 다시 원자로 이루어 져 있는데 엉뚱하게 원자와 아무런 연관도 없어 보이는 원자보다도 더 기본적인 것처럼 보이는 전, , 자라는 존재가 발견된 것이다 이것이 당시 학자들을 상당히 혼란스럽게 만들었던 것 같다. .
그러면 잠깐 전자가 어떻게 발견되었는지 알아보자. 18세기말 유럽에서 물리학자들은 위쪽 그림과 같은 유리관의 공기를 모두 뽑아내고 진공으로 만들고 그 안에 아르곤이나 네온과 같은 불활성 기( ) 체를 채운다음 전압을 걸어주어서 만든 오늘날 네온사인과 같은 것으로 사람들에게서 갈채를 받았 다 당시에는 그것이 무척이나 신기해 보였던 것이다. .
톰슨은 진공관의 공기를 더 많이 뽑아내고 (진공의 정도를 더 높이 고 관의 양쪽에 아주 높은 전압을 걸어 주었더니 왼쪽의 그림과 같) 이 진공관 내에서 푸르스름하게 무엇인가가 흐르는 것을 발견하였다.
이 관을 음극선 관이라고 부른다 이것은 아주 놀라운 발견이었다
( .) .
이것은 전기가 흐를 때 흐르는 것임이 분명하였다 이렇게 흐르는 것. 이 무엇인지 좀 더 자세히 실험해 보니 아주 작은 입자들의 흐름이라는 것을 알게되었다 그래서 이. 것을 전자라고 불렀다.
톰슨은 자신의 실험 결과로부터 다음과 같은 세 가지 가정을 내놓았다.
1. 음극선 관에 흐르는 음극선 푸르스름한 흐름 은 전하를 띈 입자이다( ) . 2. 이 입자가 원자를 구성한다.
3. 원자 속에는 이 입자만 들어있다.
톰슨의 이 세 가정 중 처음 두가지는 옳음이 판명되었다 그렇지만 마지막 세번째 가정 즉 원자는. 전자만으로 이루어졌으리라는 가정은 러더퍼드가 원자 중심부에 원자핵이 존재함을 발견하고 나서 옳지 않다는 것이 밝혀졌다 그러나 온 세상 만물의 궁극적 구성 요소는 원자라고 생각하였는데 이. , 원자의 구성 요소를 발견한 것은 대단한 일이 아니겠는가? 그래서 이제 그러면 원자 속은 어떻게 생 겼을까 추측해볼 수가 있게 된 것이다.
전자는 음전하를 띈 입자이다 그런데 원자는 모두 전기적으로 중성이다 그래서 만일 원자 속에 전. . 자만 들어있다면 원자가 전기적으로 음전하를 띄어야 할 터인데 중성임으로 원자 속에는 양전하를 띈 물질도 포함되어 있어야만 한다 그렇지만 전자처럼 원자의 구성요소이면서 양전하를 띈 존재는. 당시에는 발견되지 않았다 그래서 톰슨은 원자가 다음과 같이 생겼을 것이라고 가정하였다. .
원자에 들어있는 양전하는 원자 내부에 구름처럼 골고루 퍼져 있을 것으로 가정 하였다 단 이 물질은 질량을 갖지 않는 순수한 형태의 양전하라고 생각하였다. . 이렇게 퍼져 있는 양전하 속에 오른 쪽 그림처럼 음전하를 띈 전자가 콕콕 박혀 있다고 가정하였다 이 원자에 대한 모형 가정 을 톰슨의 원자 모형이라고 부른. ( ) 다 이 모형이 마치 쪼코가 듬성 듬성 박혀있는 쪼코 쿠키와 비슷하기 때문에 쪼. 코 쿠키 모형이라고도 부른다.
톰슨의 원자에 대한 쪼코 쿠키 모형은 비록 러더퍼드가 원자핵을 발견 후에 곧 옳지 않음이 밝혀졌 지만 그 전까지는 이 모형에 의해 여러가지 화학 반응이 일어나는 원인을 그럴 듯하게 설명할 수 있 었기 때문에 짧은 기간이었지만 학자들로부터 상당히 호응을 받았던 모형이었다.
원자핵의 발견 1-3
러더퍼드가 영국의 맨체스터 대학교에서 제자 마스든을 시켜 알파입자를 금박막 금을 아주 얇게 펴( 서 만든 막 에 충돌하여 원자핵을 발견하기에 이른 실험에 대한 이야기는 우리 교과서 첫번째 마당) 에 자세히 나와있다 러더퍼드는 톰슨의 쪼코 쿠기 원자모형이 정말 그런지 아닌지 확인해 보고자. 하였다 원자와 같이 아주 작은 대상이 어떻게 생겼는지 알아보려면 어떻게 하여야 할까. ?
우리가 무엇을 본다고 할 때는 빛이 있어야만 한다 빛이 목표물에 충돌하여 반사한 빛을 우리가 보. 고 그 대상의 모양을 알게 되는 것이다 아주 작은 대상을 확대하여 보는 기구로 현미경이 있다 그. . 런데 현미경을 이용하여 확대해 볼 때는 목표물의 크기가 적어도 이용하는 빛의 파장보다는 커야만 그 대상의 자세한 모양을 알아볼 수가 있다 그런데 원자의 크기는 보통 빛 가시광선 의 파장 보다도. ( ) 훨씬 더 작다 그래서 현미경을 통해서 관찰할 수 있는 대상 중 가장 작은 것이 수많은 분자로 이루. 어진 생물체의 세포 등에 한정된다.
가시광선 보다 더 짧은 파장을 가진 빛으로 X-선이 있다 그래서. X-선을 이용한 현미경으로는 세포 보다 더 작은 대상의 구조를 연구할 수 있다 그렇지만. X-선의 파장도 원자의 크기 보다는 훨씬 더 길다. X-선 현미경으로 조사할 수 있는 대상은 분자들이 모여 결정체로 이루어진 물체의 구조 정도 이다.
목표물의 구조를 자세히 관찰하는데 현미경과 같이 빛이 목표물에 충돌하여 반사한 빛을 볼 수 도 있지만 목표물에 충돌한 빛이 반사하지 않고 그대로 통과한 경우 빛의 진행방향 앞쪽에서 관찰하여 목표물의 구조를 살펴볼 수도 있다 이러한 방법을 충돌 실험 또는 산란 실험이라고도 한다. .
러더퍼드는 방사능 물질에서 방출되는 방사선 알파선 베타선 감사선 중 알파선을 이용하여 톰슨( , , ) 의 원자 모형을 조사해 보려고 하였다 톰슨의 원자 모형을 의심하였다기 보다는 알파선이 원자 내. 부에 들어가 원자속에 들어있다는 전자와 충돌하는 현상이 관찰될지 아닐지에 관심을 가졌다.
그러한 실험을 위해서는 우선 낱개의 원자를 알파선과 충돌시킬 수가 있어야 하였다 이를 위해서. 러더퍼드는 목표물로 금을 이용하였다 금을 아주 얇게 펴서 박막 아주 얇은 막 으로 만들어서 마치. ( ) 금 원자가 한 두겹 정도로 배열되게 하였다.
위의 그림은 러더퍼드가 사용한 실험 장치의 개요도이다 왼쪽. R 로 표시한 곳은 알파선이 방출되는 방사능 물질이다 가운데. S 로 표시한 곳은 얇게 편 금 박막으로 된 표적이다 오른쪽. Z 로 표시된 곳은 금 박막을 지나온 알파선을 검출하는 곳으로 황화 아연(Zinc Sulfide)을 입힌 스크린인데 산란, 되어 나온 알파선이 이 스크린에 충돌하면 번쩍 하고 빛을 낸다 이렇게 번쩍이는 빛을 오른쪽. M 으 로 표시된 망원경을 이용하여 관찰하였다.
러더퍼드는 이 실험에서 많은 수의 알파선은 휘지 않고 그냥 똑바로 진행하겠지만 원자에서 전자를 만난 알파선은 조금 휘어 나오고 혹시 진행 경로 상에서 여러개의 전자와 만난 알파선은 조금 더 휘 어 나올 것으로 예상하였다 러더퍼드는 바로 그러한 점을 실험으로 확인하고 싶었던 것이다. .
그런데 직접 관찰한 제자 마스든이 보고한 결과는 예상과 상당히 달랐다 대부분의 알파선은 예상한. 데로 전혀 휘지 않고 진행하였지만 관찰한 수천개의 알파선 번쩍임 중에서 몇 개는 아주 많이 휘어 나오는 것이었다 그렇게 휘어져 나온 것은 알파선이 원자를 통과하는 동안 전자를 여러번 만난 것. 으로는 도저히 설명할 수 없을 정도로 큰 각도로 휘어져 나왔다.
그렇게 큰 각도로 휘어져 나오려면 알파선이 아주 큰 힘을 받아야 한다 알파선이 양전하를 띈 입자. 라는 것은 미리 알고 있었는데 러더퍼드는 이 알파선에 큰 힘을 주려면 원자에 포함된 양전하가 모, 두 아주 작은 부피 속에 모여있지 않으면 불가능하다는 것을 알게 되었다 그렇게 해서 원자 내부의. 양전하는 톰슨의 원자모형에서 가정한 것처럼 원자 내부에 골고루 퍼져 있는 것이 아니라 원자 중심 부의 아주 좁은 영역에 다 모여 있다고 결론짓지 않을 수 없었던 것이다 이렇게 해서 원자 내부에. 원자핵이 존재함을 발견하게 되었다.
원자 내부에 태양계가 존재한다는 모형과 그 모형의 문제점 1-4
러더퍼드가 원자핵을 발견함으로써 원자의 내부구조에 대한 톰슨의 쪼코 쿠키 모형이 옳지 않다는 것이 밝혀진 셈이었다 이제 원자 속에 들어있는 양전하가 원자 중심부의 매우 좁은 영역에 집중되. 어 있다면 음전하 즉 전자들은 원자 속에서 어떤 모양으로 놓여있을 것인가라는 질문이 자연스럽게 대두되게 되었다 즉 톰슨의 쪼코 쿠기 모형에서 생각하였던 것처럼 전자가 이곳 저곳에 분포되어. 있을 수는 없었다 만일 그렇다면 음전하를 띈 전자들은 중심부의 양전하를 띈 원자핵이 잡아당기는. 전기력 때문에 모두 원자핵 쪽으로 이동할 것이고 그러면 원자들은 즉시 쪼그라들 수 밖에 없을 것 이기 때문이다 그런데 실제는 그렇지가 않은 것이 분명하다 만일 원자들이 쪼그라들어 버린다면 우. . 리 주위의 물체들이 지금대로 존재할 수가 없을 것이다.
원자핵이 발견되고 나서 이와같은 생각들은 즉시 출현되었다 그리고는 바로 원자핵과 전자 사이에.
작용하는 전기력이 태양과 태양의 주위를 회전하는 행성들 사이에 작용하는 만유인력과 똑 같은 성 질을 가졌다는 점에 주목하게 되었다 즉 만유인력은 태양과 행성 사이의 거리의 제곱에 반비례하는. 데 전기력도 두 전하 사이 거리의 제곱에 반비례한다는 점이다.
공중에서 돌맹이를 가만히 놓으면 밑으로 떨어진다 돌맹이가 떨어지는 이유는 지구가 돌맹이를 아. 래로 잡아당기는 만유인력 때문임을 우리는 잘 알고있다 그런데 달의 경우에는 어떤가. ? 지구가 달 도 역시 잡아당기고 있지 않은가? 그런데 왜 달은 지구로 떨어지지 않을까?
그 이유는 달은 움직이고 있기 때문이다 움직이지 않는 물체에 힘을 가하면 물체는 힘이 작용한 방. 향으로 움직이기 시작하지만 이미 움직이는 물체에 힘을 가하면 두가지 현상이 일어날 수 있다 물. 체가 움직이는 방향과 동일한 방향으로 힘을 가하면 물체가 움직이는 빠르기가 더 빨라진다 그런데. 물체가 움직이는 방향과 수직 방향으로 힘을 가하면 물체가 움직이는 빠르기는 변하지 않고 움직이 는 방향만 바뀐다.
바로 이와같은 점을 몰랐기 때문에 케플러(Kepler)가 태양 주위를 회전하는 행성들이 타원 궤도를 그 리며 움직인다는 케플러(Kepler) 법칙을 발표했을 때 사람들은 행성들이 무슨 이유 때문에 타원 궤도 를 그리며 움직여야 하는지 궁금해 하였다 뉴턴. (Newton)이 처음으로 태양과 행성들은 서로 멀리 떨 어져 있지만 만유 인력이 작용하고 물체가 힘을 받으면 속도 물체가 움직이는 빠르기와 움직이는 방( 향을 함께 생각해 주어야만 하는 양 이 바뀌어야만 케플러) (Kepler) 법칙이 설명될 수 있음을 증명하 였다 그렇게 해서 뉴턴. (Newton)은 유명한 만유인력 법칙과 뉴턴(Newton)의 운동법칙(F=ma)를 발견 한 것이다.
이제 원자핵에 들어있는 전자들이 원자핵으로부터 잡아끄는 힘을 받더라도 모두 원자핵쪽으로 끌려 가 원자가 쪼그라들지 않기 위해서는 전자들이 어떻게 행동하여야 하는가가 분명하게 되었다 전자. 가 원자핵의 주위를 회전하여야만 한다 그리고 전자가 원자핵으로부터 받는 힘이 행성등이 태양으. 로부터 받는 힘과 동일하게 작동한다는 점으로부터 거리의 제곱에 반비례하는 인력이라는 점으로부( 터 전자가 원자핵 주위를 타원 궤도를 그리며 회전하리라고 생각할 수 있다 그래서 위 그림과 같이) . 구름처럼 분포된 양전하에 전자가 박혀있다는 톰슨의 원자모형으로부터 원자 내부의 구조가 마치 태 양계와 같다는 태양계 원자모형이 출현하게 된 것이다.
원자 속에 태양계와 같은 형태가 다시 존재한다는 사실은 당시 사람들이 놀랍게 생각하고 아 그럴 듯하구나라고 감탄하기에 충분하였다 그보다 조금 전 까지만 하여도 원자 내부란 인간이 감히 넘보.
지 못할 인간이 근접하지 못할 신의 세계라고 믿고있었던 만큼 그 영향과 충격은 대단하였다 그러, . 나 그러한 감탄도 잠시동안만 계속될 수 있었다 곧 원자 내부의 태양계 모형은 성립할 수 없다는. 점이 밝혀지게 된 것이다 아니 그 뿐 아니라 원자 내부는 당시의 물리학으로는 도저히 설명할 수가. 없다는 점이 밝혀지게 되었다.
전자기학 이론에 의하면 가속운동하는 전하는 외부로 전자기파를 방출하여야만 한다 전자기파를 방. 출한다는 의미는 전하가 에너지를 밖으로 내보낸다는 의미이다 원자핵의 주위를 회전하는 전하도. 가속운동을 하는 것임으로 직선 위를 일정한 빠르기로 움직이는 경우에만 가속도가 영이고 등속도( 운동을 한다 전자가 전자기파를 즉 에너지를 끊임없이 외부로 방출하여야 한다 그런데 전자가 가) ( ) . 지고 있는 에너지는 전자의 운동에너지이다 에너지를 방출하면 이 운동에너지가 감소한다 운동에너. . 지가 감소하면 전자의 빠르기가 느려진다 전자의 빠르기가 느려지면 전자는 원자핵쪽으로 더 가까. 운 궤도를 회전하게 된다.
가속도 운동하는 전하는 전자기파를 방출한다는 점에 대해 좀 더 살펴보자 남산에 가면 우리나라. 방송국의 송신 안테나가 설치되어 있다 그곳에서 나오는 전자기파가 우리가 보는 텔레비전이나 라. 디오의 수신 안테나에 잡혀서 텔레비전을 시청하고 라디오를 들을 수 있다.
송신 안테나에서 전자기파가 나오는 원리는 안테나 내부에서 전자가 가속운동을 하기 때문이다 그. 러면 우리는 라디오로 어떻게 이 방송 또는 저 방송을 선별하여 들을 수 있을까? 예를 들어 91.9 메가 헤르츠 로 을 듣는다고 하자 헤르츠는 진동수를 말하는 단위로 헤르츠는 초
MHz( ) MBC FM . 1 1
에 1번 떠는 것을 말하고 메가는 100만번을 말한다 그래서. MBC FM 전자기파는 1초에 910만 9천 번 떠는 전자기파를 말한다 그러니까. MBC FM 을 내보내기 위해서 송신 안테나에 들어있는 전자가
초에 만 천번 떠는 것이다
1 910 9 .
만일 내가 손에 전하 덩어리를 들고 1초에 900만번 흔들어 준다면 근처에서 MBC FM을 듣고있는 사람이 직직 거리는 소리를 들을 수 있을지도 모른다 즉 전하를 흔들어만 주면 나도 전자기파를 만. 들어서 내보낼 수가 있다 이 때 내가 내보낸 전자기파의 에너지는 흔르어주는 내 팔에서부터 나왔. 다 송신 안테나에서 나오는 전자기파의 에너지는 송신소에서 전기로 계속 공급하여 준다 그런데 원. . 자핵 주위를 회전하는 전자의 경우에는 달리 에너지를 공급받지 못하므로 자기가 움직이고 있는 운 동에너지를 소비하여야 하기 때문에 전자기파를 내보내면 전자가 움직이는 빠르기가 감소할 수 밖에 없는 것이다.
그래서 전자가 원자핵 주위를 회전한다고 하더라도 전자기파를 내보 내면서 움직이는 빠르기가 감소할 것이기 때문에 오른 쪽 그림과 같 이 결국 원자핵으로 끌려들어가게 되는 것은 전자가 정지해 있을 경 우와 마찬가지이다 좀 더 자세한 계산 결과에 의하면 전자가 결국. 원자핵까지 끌려들어가는데 걸리는 시간이 매우 짧아서 대략 10-10 초 정도이다 다시말하면 원자가 만들어지는 즉시 전자는 원자핵에. 붙어버리고 원자는 쪼그라들어야만 한다는 것이다. 이것은 우리가 주위에서 관찰하는 결과와는 같지 않음으로 원자의 태양계 모형 역
시 옳은 모형이라고 볼 수가 없다.
그렇게 해서 러더퍼드가 원자핵을 발견한 뒤에 물리학자들은 오히려 큰 숙제를 떠안게 되었다 원자. 속은 도대체 어떻게 생겼을까? 답을 먼저 말한다면 원자 속에서는 우리 주위 세계를 지배하는 자연 법칙이 성립하지 않는 전혀 새로운 세계라는 것이다 이것이 밝혀지는데 대략. 20년이 걸렸다 이 과. 정에서 미시세계의 자연법칙인 양자역학 이론체계가 알려지게 된다 이 분야가 앞으로 우리가 살펴. 볼 주제이다.
제 2 장 어니스트 러더퍼드 - 방사능
맥길 대학교의 교수직에 대해 메리 뉴턴(Newton)에게 보낸 편지에 의하면 러더퍼드는 자기가 다, 른 사람을 지도할 수 있는 능력을 가지고 있을지 미심쩍어 하는 것처럼 들렸다 그러나 막상 그가. 교수가 되고 난 다음에는 맥길 대학교의 물리 실험실을 즉시 방사능 연구에 알맞도록 고쳤고 자기, 보다 여덟 살이나 더 나이가 많은 조교가 한 일을 보고 잘했군 착하네 라고 칭찬하는 그의 음성을" , !"
듣기까지 별로 오래 기다릴 필요가 없었다 이제 바야흐로 다양하게 그리고 오랫동안 지속된 첨단. 연구를 지휘하는 러더퍼드의 생활이 시작되려는 참이었다.
그는 경쟁심이 대단히 강한 사람이었다 과학이란. "항상 자기의 트랙을 따라서 다른 경쟁자와 함께 벌이는 경주 였다 그러나 그가 노리는 목표는 상을 타는 것이 비록 그런 상들을 즐기기는 했지만" . ( ) 아니었다 러더퍼드는 정열적으로 아니 심지어 필사적으로 무엇인지 새로운 것을 배우로 찾아내려고. , 발버둥쳤다 그래서 교수의 입장에서 강의할 때는 과거에 이뤄진 일보다는 자기가 해나가고 있는 연. 구의 내용을 포함해 현재 진행되고 있는 물리학 분야의 첨단 연구 즉 아직 해결되지 않은 문제를, 다루기를 좋아했다 그런 결과로 몇 학생들이 불편한 것처럼 그의 제자들은 꼭 알고 넘어가야 할 기. , 초 분야를 제대로 공부하지 못하기가 일쑤였다 더욱 기막힌 일은 전혀 기본 지식이나 훈련을 쌓지.
도 않은 채 그들은 러더퍼드가 풀려고 시도하는 문제를 연구하는 실험실에서 일하도록 강요당하는 것이 보통이었다 그런 연구 과제가 학생에게는 항상 벅찼고 새로운 문제점이 자꾸 튀어나왔다 어떤. . 사람은 문제가 너무 빨리 새롭게 변해서 정신을 차리지 못할 지경이라고 말했다 러더퍼드는 항상. 그들에게 자세가 해이해지만 안 된다 고 주의를 주었다" " .
맥길 대학교나 또는 다른 대학교에서 그의 제자였던 학생들은 러더퍼드가 그들을 얼마나 혹독하게 다루었는지에 대해 입을 다물지도 비평을 삼가지도 않았다. "아주 사소한 일을 이유로 러더퍼드처럼 불같이 화를 내는 사람은 본 적이 없어 비록 나중에 반드시 사과하는 것을 잊지는 않았지만 이라고. "
말하는 사람도 있었다 그렇지만 전체적으로 미루어 보면 야비하다고 생각될 만한 결점은 하나도 갖. "
지 않았으며" 또한 "과학계에서 이미 잘 알려진 유명인사를 대하는 것과 똑같은 태도로 가장 어린 학생까지도 기꺼이 돌봐주고 가능하다면 학생에게서도 무엇이든지 배우려 들며 게다가 우리가 마, " "
치 과학 사회의 바로 중심지에 살고 있는 것처럼 느끼도록 만들어 주는 러더퍼드를 모두 좋아한다"
고 말했다 러더퍼드에게 과학이란 경주 중에 하나였지만 결코 혼자 뛰는 경주는 아니었던 것이다. . 러더퍼드의 제자였던 H. R. 로빈슨(H. R. Robinson)은 선생님과 함께 방사능 원소가 들어 있는 농축 된 액체 공기에서 순수 방사능 물질만 걸러 내려고 애쓰며 보냈던 한 긴 토요일 오후를 다음과 같이 회고했다 그 실험은 러더퍼드가 실수를 저지르는 바람에 성공하지 못하고 끝낼 수밖에 없었는데 설. , 상가상으로 러더퍼드는 이일을 자네가 아니고 내가 했기에 이 정도라도 되었군 이라고 말했다" " . 이 일화는 러더퍼드가 맥길 대학교를 떠난 다음에 그리고 맥길 대학교에서 수행했던 연구가 그를, 일류 물리학자로 ask들어 놓은 다음에 일어난 이야기였다 그는 그 후에 얼마 지나지 않아서 기사. 칭호를 하사받고 어니스트 기사 라고 불렸고 그보다 얼마 뒤에는 다시 작위를 수여받고 러더퍼드 경' ' ' 이 됐다 물리학 사회와 동떨어져서 캐나다에 홀로 고립되어 있었지만 그는 결코 경주에서 뒤쳐지지 ' .
는 않았다.
맥길 대학교에서는 그가 영국을 떠날 때 연구하던 제목인 알파 선과 베타 선의 정체를 알아내는 연 구로부터 시작했다 마리 퀴리와 피에르 퀴리 부부 헨리 베크렐 그리고 다른 경쟁자 들은 이미 그. , , ' ' ' 가 이름붙인 베타 선의 정체가 무엇인지 밝혀 내는 데 성공했다 처음에 사람들은 그것이 복사선의' . 한 형태일 것이라고 예상했지만 그 예상은 빗나갔고 거의 빛의 속력에 가까운 빠르기로 재빨리 움, 직이는 전자들임이 밝혀졌다 그렇다면 알파 선은 무엇일까. ? 러더퍼드는 알파 선도 역시 빠른 속력 으로 움직이는 입자임을 증명해 보일 수 있었다 그 입자는 베타 선인 전자보다 훨씬 더 무거웠으며. 양전하를 띠었다 그런데 그런 성질을 지닌 입자는 아직 알려져 있지 않았다 러더퍼드는 방사성 원. . 소를 포함한 광석을 보면 예외 없이 항상 헬륨 원소가 지나간 흔적이 남아 있음을 발견하고 나서는 곧 알파 선의 정체가 무엇인지 알 것 같기도 했다 그렇지만 그때는 그가 맨체스터에서 수행한 스펙. 트럼 실험을 통해 알파 입자가 정말로 양의 전기를 띤 헬륨 원자라고 오늘날에는 헬륨 원자핵이라( 고 부른다 의심할 여지없이 증명해 보일 수 있었던 때보다도) 10년 전이었다.
방사성(放射性)에 대한 연구는 "알파 선의 정체가 무엇인가 라는 질문과 더불어 다른 많은 의문도?"
함께 제기했다 이 의문들 중에서 가장 근본적인 문제는 방사능과 함께 방출되는 그 엄청나게 큰 에. "
너지는 어디서부터 나올까 라는 질문이었다 원자 자체가 이렇게 막대한 에너지를 품고 있으리라고?" .
는 도저히 상상할 수 없었던 시기였다 그래서 일반적으로 방사능 물질은 주위 환경으로부터 아직. 알 수 없는 어떤 방법에 의해서 에너지를 흡수할 것이라고 가정했다 이 가정이 방사능을 명료하게. 이해하는 데 오히려 방해가 되었다 과학자들은 알파 선이나 베타 선의 성질 등 방사능과 연관된 과. , 정에 대한 자료를 계속 수집해서 쌓아 두고 있었다 그들은 마리 퀴리가 검출한 것 말고도 또 다른. 방사능 물질도 계속해서 찾아냈다 그러나 새로 발견된 방사능 물질과 거기서 방출되는 방사선 사이. 의 관계가 무엇인가라는 의문은 잘 풀리지 않았다 또한 새로 찾아낸 물질이 이미 알려진 원자가 모. 여서 이루어진 화합물인지 아니면 아직 알려지지 않은 원자로서 전혀 새로운 원소인지조차 알 수 없 었다 실험 결과를 모두 그럴듯해 보이는 한 가지 틀에 맞추는 일이 잘 진척되지 않았다 다른 말로. . 표현하면 방사능에 관한 일반 이론을 아직 만들지 못했다 러더퍼드와 그리고 맥길 대학교에서 만난, . 젊은 동료인 프레드릭 소디(Frederick Soddy)가 앞으로 그런 이론을 만들어 내게 될 것이다.
소디는 1900년 러더퍼드와 함께 연구를 시작했을 때 겨우 스물세 살의 청년이었다 그는 러더퍼드와. 마찬가지로 영국에서부터 맥길 대학교 화학과 교수로 부임하기 위해 캐나다로 건너왔다 러더퍼드는. 방사능을 연구하기 위해서 여러 불질로부터 한 가지 원소를 화학적인 방법으로 걸러 내는 과정을 거 쳐야 했는데 이때 화학자의 도움이 절실하게 필요했다 소디가 회고한 것이 의하면 그가 맥길 대학, . , 교에 도착한지 몇 주일도 채 지나지 않았을 때, "러더퍼드가 내게 찾아왔다 나는 그와 함께 일하기. 위해서 내가 하던 일을 모두 포기하지 않을 수 없었다 거의 두 해에 걸쳐서 한 사람이 일생을 다. 보내면서도 해낼 수 없을 정도로 많은 과학에 대한 연구 생활을 쉬지 않고 계속해 나가는 데 도무지 정신을 차릴 수 없었다.
소디는 뉴질랜드 출신인 이 선배 교수가 화학을 별로 수준 높은 학문이라고 쳐주지 않고 있음을 알 고 있었다 실제로 러더퍼드는 물리학만 제외하고 다른 모든 자연 과학을 시시하다고 생각하는 듯. 싶었다 물리학은 러더퍼드에 따르면 그 자체가 다른 학문보다 한 계급 위였다 물리학은 보편된 질. , , . 리 등과 같이 큰 원칙을 탐구하는 학문이었다 반면에 다른 과학은 러더퍼드가 느끼기에는 미세 부. , , 분이나 국부(局部)에 한정된 변화를 조사하는 데 불과했다 비록 그의 연구를 위해서 미세 부분 에. ' ' 대한 소디의 지식이 필요했지만 그리고 소디의 이론적 능력으로부터 큰 도움을 얻은 것도 사실이지( 만), 러더퍼드는 그의 동료에게 화학 문제에서조차 물리학자가 화학자보다 더 잘할 수 있음을 보여 주면서 무척 즐거워하곤 했다.
하루는 러더퍼드가 소디에게 화학적 방법을 전혀 사용하지 않고서도 한 가지 원소를 분리해 낼 수 있음을 보여 주려고 했다 우선 그는 주위에서 쉽게 볼 수 있는 물질인 이산화토륨을 여러 갤런에. 해당하는 굉장히 많은 물에 녹였다 그리고는 결연한 자세로 그 물질을 물에 녹이기 위해 녹초가 될. 때까지 휘저었다 마지막으로 잘 섞인 이 액체를 끓여서 물을 모두 증발시켰다 그러고 나서는 매우. . 흡족한 표정으로 그는 자기 노동의 대가로 얻은 마지막 결과를 소디에게 보였다 거기에는 새로운. 물질이 아주 조금 남아 있었는데 그것이 러더퍼드가 소디와 함께 곧 발견하게 될 토륨, X였다. 이 두 사람이 정신없이 몰두해서 공동으로 연구한 결과로부터 그들은 잇달아 여러 편의 논문을 발표 했는데 그 논문들이 모두 합해져서 방사능에 대한 이론이 세워졌다 방사성 원소인 토륨이 지닌 방, . ( 사능을 내는 정도를 알려 주는 기체를 이온으로 만드는 성질을 측정하라는 과제를 받은 러더퍼드의)
제자 중의 한 사람이 어떤 어려움에 부딪친 결과 새 이론에 이를 수 있는 첫 번째 실마리가 발견되, 었다 기체가 이온으로 변한 정도를 알려 주는 검전기의 눈금이 측정할 때마다 다른 값을 나타내서. 어떤 한 가지 측정값에 도달하기가 어려웠다 그리고 아주 이상스럽게도 그 눈금은 실험실의 문이. 열렸는지 닫혔는지에 따라서 영향을 받는 것처럼 보였다 일이 이쯤되자 러더퍼드는 이 문제에 큰. 흥미를 느꼈다 그리고 나서 곧 토륨 원소가 오늘날에는 토론 이라고 부르는 방사능을 띤 기체를. ( ' ' ) 방출한다는 사실을 발견함으로써 이 이상한 실험 결과를 설명할 수 있었다 실험실 문이 닫혔을때는. 이 기체가 토륨 주위에 머물러 있기 때문에 토륨과 이 기체의 방사능이 더해져서 작용했지만 문이, 열렸을 때는 이 기체가 공기의 흐름을 따라서 날아가 버린다는 것이다 이 발견을 소개하면서 물리. 학자인 P. M. 블래킷(P. M. Blackett)은 다음과 같이 말했다. "젊은 과학자들은 모두 명심하십시오. 실험을 하다가 이상한 결과가 여러 번 반복되면 그것이 일생에 한두 번밖에 찾아오지 않을 중요,
…
한 발견에 이를 수 있는 비밀을 숨기고 있을지도 모른다는 가능성을 놓치지 말도록 주의하시오."
이 발견에 대해 더 자세히 조사해 보니 토론이 토륨으로부터 직접 만들어진 것은 아님이 분명했다.
거기에는 우리가 이미 언급했던 토륨 X가 중간 과정에서 나온 물질로 들어가 있었다 즉 토륨 자신. 은 토륨 X로 변한 뒤에 토륨 X가 토론이 되었다 그렇다면 아마도 방사성 원소는 모두 알파 선이나. 베타 선을 내보내면서 저절로 성질이 다른 원소로 바뀌는지도 모른다 즉 새로운 원소가 만들어지는. 것이다 그리고 이 새롭게 만들어진 원소도 다시 쪼개져서 또 다른 새 원소가 형성된다 방사능에서. . 나오는 에너지는 한 원소가 다른 원소로 변하면서 즉 전문 용어로 말하면 원소가 붕괴하면서 원자, , 자체로부터 흘러나오는 에너지인 것이다.
이것이 방사능에 대해 알려진 많은 사실을 설명하는 데 러더퍼드와 소디가 제안한 모형이다 그들은. 방사능 원소를 세 가지의 주된 가족으로 분류할 수 있음을 입증했는데 하나는 노륨으로부터 다른, , 하나는 악티늄으로부터 그리고 마지막 하나는 우라늄으로부터 시작하는 가족이었다 다른 모든 방사, . 성 원소는 이 세 원소 중의 하나가 붕괴하면서 만들어진 자손이다 예를 들자면 라듐은 우라늄에서. , 시작해 붕괴해 나가면서 만들어진 원소 중에서 하나이다 그런데 소디와 러더퍼드의 방사능 이론은. 한 가지 매우 중요한 점을 빠뜨리고 있었다 그 이론은 방사성 원자가 언제 입자를 방출하면서 자신. 을 변화시킬지 즉 변화가 일어날 시간이 어떻게 정해지는지에 대해 전혀 이야기 해주지 못했다 방, . 출 과정이 일어나게 만드는 까닭이 무엇인지도 알 수 없었다 방사능 붕괴가 좀더 빠르게 일어나도. 록 또는 좀더 느리게 일어나도록 만들 수 있을지 알아보았지만 그러한 시도도 모두 실패하고 말았 다 뜨겁게 만들거나 차게 만드는 것과 같은 외부 조건도 붕괴가 일어나는 비율에 전혀 영향을 끼치. 지 못했다 이 비율은 방사성 원소를 다른 원소와 결합시켜서 화합물을 만들더라도 역시 변하지 않. 았다 그리고 원자가 만들어진 지 얼마나 오래되었나 하는 점도 또한 이 비율과는 전혀 무관했다 라. . 듐이 붕괴하는 비율은 그것이 천 년 전부터 존재해 왔든지 또는 더 무거운 원자로부터 방금 만들어 졌든지 관계없이 늘 똑같았다.
방사능 붕괴가 원자 내부의 변화 때문임은 분명해 보였지만 즉 원자핵이 쪼개지는 것임이 나중에 밝( 혀졌다), 무엇이 이 변화를 유발시키는지 알 수 없었다 그래서 이 방사능 이론으로는 어떤 원자가. 앞으로 어떻게 행동할지 미리 알 수 없었다 방사능 붕괴가 일어나는 비율에 대해 조사하면서 러더.
퍼드와 소디는 어떤 의미로 보험 회사에서 사람의 수명(壽命)을 산출하는 데 사용하는 거소가 비슷한 통계 방법을 이용하지 않을 수 없었다 어떤 특정한 사람이 얼마나 오래 살지는 도저히 미리 알 수. 가 없으므로 보험회사에서는 수백만 명의 수명을 근거로 예견표를 만든다 같은 방법으로 러더퍼드, . , 와 소디는 서로 다른 종류의 방사성 원자들이 붕괴하는 비율을 조사했다 예를 들면 그들은 라듐이. , 년의 반감기를 갖는다고 결론지었다 이것은 수없이 많은 양의 라듐 원자들 중에서 절반이
1600 .
년 뒤에는 우라늄 가족의 다음 차례에 해당하는 붕괴 산물인 라돈으로 변함을 의미한다 이 이
1600 .
론은 여러 가지 붕괴 비율을 정확히 알려 주지만 그것은 굉장히 많은 양의 같은 원자가 모인 모임, 에만 적용될 뿐이지 어떤 특정한 원자 한 개에 대해서는 아무것도 알려 주지 않는다.
이렇게 붕괴 비율을 처음으로 결정하던 시기에는 언젠가 앞으로 실험을 통해 방사능에 의해 원자를, "
변하도록 만들어 주는 것이 무엇인가 라는 질문의 해답을 결국 얻을 수 있으리라고 믿었다 그러나?" . 오늘날 물리학자는 그것이 해답을 갖고 있지 않는 질문임을 알게 되었다 물리학자는 러더퍼드와 소. 디의 이론이 그보다 훨씬 뒤에 만들어질 원자 물리학의 효시였다고 생각한다 원자 물리학은 원자. 하나의 행동을 예견하려고 시도하지 않고 동일한 수많은 원자들이 모여 있는 대상의 행동만을 예견 한다 이 책의 뒷부분에서 러더퍼드와 소디의 연구 중 그러한 측면에 대해 알아볼 것이다. .
두 사람이 지금부터 반세기 전에 제안한 방사능 이론은 오늘날에도 거의 변하지 않고 그대로 성립한 다 많은 새 이론들이 그 이론에 더 첨가되었지만 원래 이론 중에서 틀리다고 제거된 것은 하나도. , 없다 원자의 내부 에너지라든가 원자의 변환 등과 같이 러더퍼드와 소디가 처음 도입한 개념이 오. 늘날에는 일상 생활처럼 늘 사용되고 있다 그렇지만. 1902년에는 그런 개념이 어떤 사람에게는 매우 야릇하고 도저히 상상할 수 없는 일처럼 들렸다. 1902년이 지난 후 여러 해에 걸쳐서 러더퍼드를 비 롯해 많은 사람들이 이 새로운 개념을 뒷받침해주는 증거를 점점 더 많이 쌓게 되면서 비로소 과학 자 사회에서 그것들이 차츰차츰 인정받게 되었다 그러나 처음에는 특별히 화학자나 나이가 많은 물. 리학자가 그런 생각에 의문을 품었다 심지어 퀴리 부부까지도 처음부터 그런 생각을 믿지 못했다. .
당시에는 누구든지 나를 공격하려고 했지 라고 러더퍼드는 회고했다 가장 강력한 반대자 중에서 한
" " .
사람이 유명한 영국 물리학자인 켈빈(W. T. Kelvin)경이었는데 그때 그는 여든 살이 넘었다 켈빈, . 경은 물체가 식는 법칙을 만든 것으로 유명한데 그는 오래 전에 그 법칙을 적용해 지구의 나이를, 계산해 보았다 그런데 이제 러더퍼드는 만일 방사능과 함께 나온 원자의 내부 에너지까지 고려한다. 면 지구가 식는데 걸린 기간이 켈빈 이전에 계산했던 기간보다 훨씬 더 길 것이라고 주장했다 러더. 퍼드는 새 방법을 이용해 지구의 나이를 다시 계산했다 그는 라듐과 우라늄을 포함하는 광석에 남. 아 있는 헬륨의 양을 측정했다 우라늄 가족이 러더퍼드가 헬륨이라고 가정한 알파 입자를 내보내. ( ) 면서 붕괴하는 비율을 이미 알기 때문에 그 광석이 농축된 형태로 얼마나 오랫동안 존재해 왔는지, 계산할 수 있었다.
켈빈은 자신의 이론이 여전히 옳다고 방어하면서 방사능에 대한 새 이론은 완전히 엉터리라고 주장, 했다 그는 라듐이 원소가 아니고 납과 헬륨이 결합해 만들어진 분자 형태의 화합물이며 에테르 파. ' ' 를 흡수해 그 에너지를 얻는다고 설명했다.
러더퍼드는 물리학 학술회의에 참석하고자 영국을 방문했을 때 오랫동안 학문적으로 그의 앙숙이었
던 켈빈 경을 직접 만났다 러더퍼드는 켈빈 경은 하루 종일 쉬지 않고 거의 라듐에 대해서만 계속. "
해 말했지 나는 정말이지 자기가 잘 알지도 못할 뿐 아니라 알려고 노력조차 해 보지 않은 문제에. 대해서 그렇게 뻔뻔스럽게 이야기할 수 있는 배짱을 보고 놀라지 않을 수 없었어 라고 쓴 편지를 아"
내에게 보냈다.
그 당시 과학자들은 저녁에 손님을 초대하면 흔히 응접실에서 새로 발견된 방사능 원소를 가지고 여 러 가지 놀이를 벌이며 즐기곤 했는데 러더퍼드는 회의 기간 중에 한 파티에서 라듐을 이용해 어떻, 게 형광 물질이 어두운 곳에서도 빛을 내도록 만들 수 있는지 직접 보여주었다 켈빈 경도 그 자리. 에 참석해 그 광경을 보았다 러더퍼드는 집으로 보낸 편지에. "켈빈 경이 얼마나 좋아했는지 알겠 어 라고 쓰고서 내가 그에게 준 작은 형광 물질 몇 개를 가지고 몹시 좋아하면서 자러 들어갔지 라?" " "
고 마치 어린아이를 달래는 아빠처럼 엇붙였다.
러더퍼드가 쓴 편지를 살펴보면 젊은 뉴질랜드 출신의 대단한 자신감은 명성을 날리는 물리학자 한, 명이 그의 이론을 반박했어도 아무런 영향을 받지 않았으나 어떤 비평은 그를 무척 화나게 만들었음 을 알 수 있다 러더퍼드의 친구들 중에서 가장 친한 친구들은 화학자들이라고 말해도 거의 손색이. 없었다 그 화학자 친구들 중에서 한 사람이 예일 대학교 교수이며 역시 방사능을 연구하는 버트램. 볼트우드 였다 이 두 사람은 자주 편지를 주고 받았는데 한 번은 러더퍼
B. (Bertram B. Boltwood) . ,
드가 이 화학자 친구에게 어떤 과학 논문집에서 자기 이론이 실험에 의거한 증거에 충분히 뒷받침되 지 못했다고 반박하는 논문을 읽고 있다는 편지를 보냈다 이때 러더퍼드는 화가 머리끝까지 치밀어. 서, "그 논문을 쓴 사람은 완전히 바보이고 화학자 출신임이 분명하다고 믿네 라고 말했다 그러나" . 문득 볼트우드도 화학자임을 기억해 내고는, "미안하네 자네를 두고 한 말은 아니야 라고 덧붙이고, "
나서, "그 논문을 쓴 사람은 내 이론이 기체의 운동론만큼이나 많은 증거를 갖고 있으며 그들이 영… 원 불변의 진리라고 믿는 전자기 이론보다 더 확고하게 옳다는 사실에 대해서 눈꼽만큼도 모른다 고"
했다.
그렇지만 그의 새 이론은 그로부터 얼마 후에 널리 인정받게 되었으며 러더퍼드는 상을 받기 위해, , 서 다른 물리학자처럼 20년씩이나 또는 그 이상 기다리지 않아도 되었다 그는 상 특히 금메달 따위. 를 받는 데 큰 신경을 쓰지는 않았지만, 1908년 「원소의 붕괴와 방사능 물질의 화학에 관한 연… 구 에 대한 업적으로 노벨상을 받게 됨을 알았을 때 무척 기뻐했다 그는 자기 어머니에게 노벨상」 . "
은 명예와 부를 함께 주므로 매우 받을 만한 가치가 있습니다라고 써 보냈다.
그렇지만 그가 받은 상이 노벨 물리학상이 아니라 화학상이었다는 점이 그의 가치관으로는 좀 꺼림 직했다 노벨상 수상식에서는 모든 수상자들이 연설하는 것이 관례인데 러더퍼드에게 차례가 돌아오. , 자 그는 방사능을 연구하면서 한 원소가 다른 원소로 변하는 모양을 많이 관찰했지만 자신이 물리학 자에서 화학자로 변신한 것만큼 빨리 변하는 것은 보지 못했다고 따끔하게 침을 놓았다.
러더퍼드는 서른다섯 살에 영국으로 돌아왔으며 그 뒤로는 다시 영국을 떠나지 않았다 그는 맥, . 길 대학교에 머무르면서 몇 가지 조건을 두루 갖춘 교수직은 찾았다 그 중에서 가장 중요한 조건은. 물리학의 중심지인 유럽에서 가깝고 좋은 실험실을 갖출 것이었다 맨체스터 대학교에서 이 두 가지. 조건을 모두 겸비한 제의를 보내왔다 그리고 앞에서 본 것처럼 그곳에서 원자핵이 발견되었다. .
원자핵둁느 1911년 발견되었는데, 1914년에 제 1차 세계 대전이 일어난 후로는 맨체스터 대학교에 서도 거의 모든 연구가 주지되었다 마스든은 영국 편에서 그리고 가이거는 독일 편에서 싸웠다 러. . 더퍼드의 제자 중에서 가장 촉망받던 H. G. J. 모즐리(H. G. J. Moseley)는 갈리폴리 전투에서 전사 했다.
년에서 년까지의 짧은 기간은 맨체스터 대학교의 황금기에 해당한다 새 원자 모형의 결과
1911 1914 .
가 무엇을 의미하는지 추적하는 실험이 진행되면서 많은 발견이 거의 일주일에 한 번 꼴로 발표되' ' 었다고 전해진다 텁수룩한 콧수염을 단 크고 밝은 얼굴의 뉴질랜드 출신인 러더퍼드가 매일같이 실. 험실을 돌아볼 시간이면 Onward Christian Soldiers 곡조는 엉터리지만 우렁차게 건물 안에 울려 퍼졌다.
오후에 차를 마시는 휴식 시간이면 러더퍼드와 그의 연구원들은 현재 진행되고 있는 일을 토의하고 다음에 할 일을 결정짓곤 했다 이렇게 매일 모이는 시간에 새로운 생각들이 매우 자유롭게 교환되. 었다 보통 경우에는 어떤 사람이 새로운 생각을 남에게 발설하면 그 생각을 다른 사람이 더 빨리. , 진행시켜서 더 빨리 발표하고 그래서 공을 가로채일까봐 조심하지만 이때는 그런 걱정을 조금도 할, 필요가 없었다 원자핵이 발견된 까닭에 탐구해 나갈 광대한 새 세계가 펼쳐져 있었다 누구든지 모. . 두 좋은 아이디어를 가지고 있었다 마스든은 누가 어떤 일을 연구하고 발표하느냐에 대해서는 아무. "
도 개의치 않았다 어느 누구에게든지 골라잡을 수 잇는 좋은 과제가 무진장 쌓여 있었고 아무도 어. 떤 특별한 주제에 매달리지 않았다 라고 말했다" .
그러나 맨체스터 연구소를 벗어나면 사정이 매우 달랐다 새 원자 모형이 포함하고 있는 것이 무엇. 인지를 탐구하려는 물리학자가 별로 없었다 사람들이 러더퍼드의 연구에 무관심했던 책임은 어떤. 면에서 러더퍼드 자신에게 있었다 그는 자기 논문에서 그의 연구 결과가 얼마나 중요한지 보여 주. 는 데 실패했다 그는 자신이 수행한 충돌 실험의 결과에 의하면 원자 내부에는 원자핵이 있다고 결. 론지어진다고 발표했을 뿐이었다 그는 원자핵이 얼마나 중요한 존재인지 강조하지 않았다 예를 들. . 면 원자핵이 발견될 후에 만들어진 새 모형에 의해서 원소가 지닌 이미 알려진 화학적 성질이 얼마, 나 잘 설명될 수 있는지 보여 주려고 시도하지도 않았다 그런데. J. J. 톰슨의 원자 모형은 원소의 화 학적 성질 중에서 몇 가지를 실제로 잘 해결해 주었다 물리학자 중에서 알파 입자 산란에 대해 관. 심을 가지고 지켜보는 사람은 러더퍼드가 원자 내부에 원자핵이 존재함을 알려 주는 증거를 발견했 음을 알았다 그러나 그와 같은 문제에 관심을 갖고 지켜보는 물리학자가 별로 많지 않았다. .
당시에는 그런 종류의 연구에 흥미를 느낀 사람이 무척 드물었다 원자에 관해 믿을 만한 결론에 도. 달할 수 있기 위해서는 실험에 의해 광대한 양의 증거가 모아져야만 했다 그러나 그런 증거가 별로. 없었고 아니면 없다고 생각되었고 그런 증거를 얻을 수 있으리라는 전망도 밝지 못했다( ) . E. N. da 안드라제 에 의하면 그때의 물리학자는 원자가 너무 단단해서 실험에 의해 C. (E. N. da C. Ardrade) ,
원자 속으로 들어가는 것은 행성에 도달하는 것만큼이나 기대하기 어렵다고 믿었다. 1911년에 다른"
행성에도 생물체가 존재할까 라고 묻는다면 그것은 무모한 질문이었다 이것은 원자는 어떻게 생겼?" . "
을까 라고 묻는 것만큼이나 쓸데없다고 여겼다 그런 점에 대해서는 아직 모두가 너무 몰랐다?" . .
그러고 나서 1913년 사정을 극적으로 바꾸어 놓는 사건이 벌어졌다 러더퍼드의 제자 중에서 한 사. 람이 근본적인 문제를 풀었는데 그렇게 함으로써 원자 내부에 들어갈 수 없다는 물리학자들의 생각, 이 옳지 않았음을 분명하게 보여 주었다 원자의 구조와 행동을 정확하고 자세하게 알아낼 수 잇는. 방법이 존재했다 이 학생의 연구 결과로부터 원자에 관한 과학을 오늘날 우리가 사용하는 것과 같. , 은 정확한 방법인 수치를 이용해 정량적으로 풀 수 있는 길이 열렸다. 1913년을 출발점으로 해 여러 해 동안에 걸쳐서 원자에 대한 연구가 물리학에서 가장 널리 연구된 분야였으며 제자 덕택으로 다, 시 한번 러더퍼드가 이 유행의 맨 앞을 이끌었다.
그 학생의 이름은 닐스 보어(Niels Bohr)였다 그는 케임브리지 대학에서 저녁 파티가 열렸을 때 러. 더퍼드를 처음 보았다 그것은 매년 열리는 캐번디시 연구소 만찬 파티였는데. J. J. 톰슨과 그의 제자 들이 이미 졸업한 제자들과 함께 만나서 연설하고 먹고 마시고 농담하고 노래하는 왁자지껄한 잔치 마당이었다 그때 보어는. J. J.의 제자엿다 러더퍼드가. 16년 전에 그랬듯이 보어도 캐번디시 연구소 의 훌륭한 연구 업적에 이끌려서 자기 나라 보어의 경우에는 덴마크 로부터 영국으로 건너왔다( ) . 저녁 파티에서 젊은 덴마크 출신 학생은 과학사에서 가장 경이스러운 한 가지 장치를 극찬하는 러, 더퍼드의 우렁찬 목소리를 들었다 그는. C. T. R. 윌슨(C. T. R. Wilson)이 새로 만든 안개 상자에 대해 얘기하고 있었는데 이것은, X-선이나 방사선 등이 만들어 내는 이온화 과정을 직접 눈으로 관 찰할 수 있는 기구였다 보어는 나중에 이 뉴질랜드 사람의 매력적이고 강력한 개성에 깊은 감명을. ' ' 받았다고 고백했다.
맨체스터 대학교로 돌아온 뒤 얼마 오래 지나지 않았을 때 러더퍼드는 그의 친구인 볼트우드에게, 보낸 편지 속에, "덴마크 출신의 보어라는 친구가 방사능 연구에 참여하려고 케임브리지 대학교를 떠 나 우리 학교로 왔다네 라고 적었다" .
이 젊은 친구는 원자핵이 발견된 지 겨우 몇 달 뒤인 1912년 이른 봄에 맨체스터 대학교로 옮겼다. 이곳에서는 많은 학생들이 열광적으로 새 발견이 만들어질 때마다 얻을 수 있는 새로운 결과를 추구 하고 있었다 그러나 실험실에서 진행되고 있는 연구에 합류 하라는 러더퍼드의 지시에도 불구하고. ' ' , 보어는 실험을 좋아했으며 바로 그런 실험을 하고 싶어서 맨체스터로 옮겼음에도 불구하고 그는 스, 스로 좋은 과제 를 찾아서 실험을 시작하려고 들지 않았다 그는 원자핵이 암시해주는 가능성 중에' ' . 서 한 가지를 풀어 보려고 시도하는 대신에 오히려 그것이 암시하고 있는 불가능성에 대해서 생각, 하려 들었다 우리가 전에 암시했던 것처럼 새로 발견된 원자핵에 근거한 원자 모형 즉 원자를 축소. , 된 태양계처럼 묘사한 모형에는 무엇인지 옳지 않은 구석이 있었다.
그 모형에 의하면 전자는 반대 부호의 전기를 띤 원자핵에 이끌린다 그러므로 전자는 태양계의 행. 성처럼 태양의 자리에 놓여 있는 원자핵의 주위로 타원 궤도를 그리며 움직인다 그러나 움직이는. 전자란 불가능하다 왜. ? 그 까닭은 전기에 관한 법칙에 의하면 움직이는 전하는 꼭 전자기 방사 즉, , 빛을 만들어 내야만 되기 때문이다 움직이는 전자는 늘 쉬지 않고 방사를 만들어 낼 것이다 따라서. . 모든 원자가 항상 빛을 내보내야만 된다 그러나 우리는 흔히 겪는 보통 조건 아래 놓여 있는 물질. 이 빛을 내며 빛나지 않음을 잘 알고 있다.
이것이 태양계 모양의 원자 모형이 지닌 한 가지 결점이었으며 이것과 긴밀히 연관되는 다른 결점,
또한 가지고 있었다 다시 말하지만 움직이는 저자는 빛을 내보내야만 된다 그렇게 빛을 내보낸다. , . 는 사실은 전자가 에너지를 잃음을 의미하며 따라서 나선형을 그리며 원자핵 쪽으로 빨려 들어가야 된다 그것은 마치 인공 위성이 공기의 마찰 때문에 에너지를 잃으면서 나선형을 그리며 지구로 다. 시 떨어지는 모양과 마찬가지이다 인공 위성이 지구로 다시 떨어지는 데 걸리는 시간은 몇 주일에. 서 몇 달 정도이지만 전자가 원자핵으로 떨어지는 데는 일초보다도 훨씬 더 짧은 시간이 걸릴 것이, 다 그렇다면 원자라는 것 자체가 존재할 수도 없으며 오직 원자핵만 존재해야 된다 원자의 구조를. . 대표한 모형이 동시에 그 구조를 가질 수 있는 가능성을 부정한다 이것이 바로 닐스 보어가 풀려고. 시도한 문제였으며 그것을 풀어냄으로써 그는 오늘날 원자 물리학이라고 부르는 것으로 발전된 과, 학의 한 분야를 세웠다.
뒷장에서 우리는 다시 보어와 그가 발견한 원자 모형의 풀이 그리고 그의 생활에 러더퍼드가 어떤, 영향을 끼쳤는지에 대해 설명하기 위해 다시 돌아올 것이다 지금은 원자핵 때문에 생긴 문제점들을. 한쪽으로 미루어 놓자 그 이유는 그런 문제점들을 해결하기 위해서는 양자론 이라고 부르는 개념을. ' ' 이해해야 되는데 우리는 아직 그 개념을 소개하지 않았기 때문이다 보어가 원자의 경우에 이 이론, . 을 적용했을 때가 이미 그것이 제기된 지 13년이 지난 뒤였는데 따라서 보어는 양자론이 물질의 근, 본 구조와 긴밀한 관계가 있음을 보여 준 셈이 되었다.
다음장에서 우리는 막스 플랑크(Max Plank)에 대해 이야기하기 위해 시간을 거슬러 올라갈 것이다. 그는 복사에 관한 문제를 풀려고 끈질기게 노력해 결국 양자라는 개념을 제안한 사람이다 앞으로. 설명할 것이지만 그는 매우 이상한 방법으로 그의 발견에 도달했다 그래서 어쩌면 그 개념으로 끌, . 려 들어갔다고 말하는 편이 더 정확할지도 모른다 플랑크에 대해 설명하고 난 뒤에도 우리는 맨체. 스터 대학교에서 일하는 닐스 보어에게로는 다시 돌아오지 않을 것이고 플랑크의 양자 이론을 확장, 했으며 이 책에서 한 번 이상 등장할 사람인 알베르트 아인슈타인(Einstein)(Albert Einstein)을 먼저 소개할 것이다.
이렇게 시간을 거슬러 올라가고 장소도 영국이 아니라 플랑크나 아인슈타인(Einstein)이 태어난 독일로 옮기면 우리는 앞에서 제기한 원자 문제뿐 아니고 어니스트 러더퍼드가 뛰어나게 잘했던 물, 리학의 분야와는 동떨어진 곳으로 인도될 것이다 이제 우리는 원칙적으로 실험을 수행하지 않고 물. "
리 이론이란 무엇인가 라는 따위의 의문에 매달리는 이론 물리학자에게 관심을 돌릴 것이다?" . "그런 이론을 만든 사람은 연구를 어떻게 진행시켜 나갈까?" 이제 우리가 닐스 보어에게로 다시 돌아오면, 그가 어떻게 플랑크와 아인슈타인(Einstein)의 연구로부터 출발해 원자 이론을 이끌어 냈으며 어떻게 그 이론이 확장되고 수정되어 오늘날 쓰이는 것과 같이 만들어졌는지 알 수 있게 될 것이다.
제 장에서 본 것처럼 원자핵의 발견은 우리에게 의문을 풀어준 것이 아니라 새로운 의문을 제1 , 시하였다 러더퍼드는 첫번째 직장인 캐나다의 맥길 대학교에서 그러한 의문을 푸는데 앞장서서 많. 은 업적을 남기었다.
러더퍼드의 초기 연구에 가장 큰 관심사는 당시에 처음 알려지기 시작한 엑스선 알파선 베타선 감, , , 마선 등의 방사선의 정체가 무엇이냐는 것이었다 보이지 않은 빛인 엑스선이 맨 처음 뢴트겐에 의. 해 발견되어 보이지 않으면서도 물질을 투과하여 상자 내부에 들어있는 물체를 식별한다든가 손의
뼈를 사진 찍을 수 있는 등 당시 큰 흥미꺼리였다 이와 함께 역시 정체를 알수 없는 그러나 엑스선. 과는 다른 방사선을 방출하는 광석이 발견되고 거기서 나오는 방사선은 서로 다른 세가지로 이루어 져 있음을 알게되어 우선 알파선 베타선 그리고 감마선이라고 명명하였던 것이다, , .
이미 설명한 것처럼, 19세기 말 많은 물리학자들은 자연 현상에 대한 기본이 되는 원리 즉 기본 자 연법칙을 이제 다 알았다고 생각하였고 만일 무슨 새로운 현상이 관찰된다면 그것은 모두 기본 원리 에 의해 잘 이해될 수 있을 것이라고 굳게 믿었다 그런데 원자핵의 발견과 방사선 등에 대해 실험. 으로 측정한 자료가 많아질수록 당시의 물리학으로는 해결할 수 없는 문제점들이 자꾸 출현하는 것 이었다 이 때까지도 고전 물리학의 위력에 감명을 받은 많은 과학자들은 근본적인 자연법칙이 수정. 되리라고는 예상하지 못하였지만 몇 유능한 젊은 과학자들은 물리학의 기본 체계에 문제점이 있는 것이 아닌가 의심하기도 하였다.
이것은 마치 16세기 중엽 케플러(Kepler) 법칙의 출현과 함께 당시에 알고있던 자연법칙이 옳지 않음이 밝혀지고 뉴턴(Newton) 물리학이 태동하기 시작한 시대의 사정과 비슷하였다 그래서. 19세기 말과 20세기 초는 다시 한번 더 새로운 물리학이 출현하는 흥분되는 시대 상황이 전개되기 시작한 것이다.
제 장에서는 새롭게 출현하는 물리학을 이해하기 위해 우선 알파선 베타선 감마선이라고 이름지은2 , , 방사선들이 무엇인지 알아보자 이들 방사선과 전부터 알려져 있던 빛과 전자기파 그리고 엑스선 등. 과는 어떤 관계에 있는지도 알아보자.
전자기파와 빛 2-1
요즈음 주위에서 부쩍 전자기파란 말을 많이 듣는다 특히 전자기파가 우리 몸에 미치는 피해에. 대한 이야기가 많은 만큼 걱정도 되면서 도대체 전자기파란 무엇인지 궁금하기도 할 만하다.
그러면 빛은 무엇인가? 창세기에 의하면 하느님은 우주를 창조하신 첫날 하늘과 땅을 지으신후 빛"
이 생겨라 라고 빛을 만드신 다음 빛과 어둠을 나누시고 빛을 낮이라 어둠을 밤이라 부르셨다고 한" , 다 이렇게하여 우주를 창조하신 첫날이 밤과 낮 하루가 지나갔다. .
이렇게 우주가 창조되면서 존재한 빛이 무엇인지 빛의 본성에 대해 제대로 알게된 것은 극히 최근, 이다 그뿐 아니라 이 빛에 대해 더 잘 알게되면서 우리의 자연에 대한 이해도 더 많아졌다 항상 우. . 리 곁에 있었던 이 빛이 때가 이르면 거기에 알맞는 정보를 우리에게 제공해서 자연법칙을 그만큼씩 깨우치게 해 준 것이다 빛의 본성을 어떻게 해석할 것인지에 대해. 흥미로운 논문이 있다 영어로 쓰. 여졌지만 한번씩 읽어볼 것을 권한다 이 논문의 내용이 꼭 옳다기 보다는 빛에 대해서는 여러가지. 로 생각해볼 문제가 많이 남아있다는 것을 이야기해 준다.
밤하늘에 행성의 위치를 알려준 빛을 관찰하여 행성들이 태양 주위를 타원궤도를 따라 회전한다는 케플러(Kepler) 법칙이 뉴턴(Newton)으로 하여금 거시 세계의 자연법칙을 깨우치게 하였다 그리고. "
광속은 일정하다 라는 이상한 성질을 해결하기 위해 아인슈타인" (Einstein)이 고심한 뒤 상대성 이론 에 이르게 되었다 그뿐 아니라 원자에서 나오는 빛을 관찰하여 원자 내부에서 일어나는 현상을 설.
