보어의 원자모형

러더퍼드 원자모형의 문제점

전자 짧은 시간 안에 핵에 포획되어 버린다!

photo

IAEA 로고_ 국제원자력기구(International Atomic Energy Agency, IAEA)의 로고로 러더퍼드 원자모형에 따른 원자의 모습을 상징으로 삼고 있다.

언뜻 보기에 러더퍼드 원자모형은 행성이 태양을 한 초점으로 한 타원궤도를 도는 것과 비슷하여 원자의 전자도 마찬가지로 타원궤도를 돌면서 안정된 상태를 유지할 수 있을 것으로 보였다. 즉, 중력과 전기력의 형태가 모두 거리의 제곱에 반비례하는 것으로 역학의 계산에 의하면 속박상태에서는 정확하게 닫힌 타원궤도를 돌 수 있다. 수소원자처럼 전자가 하나인 경우뿐만 아니라 여러 전자를 가진 원자도 전자 각각이 나름대로의 타원궤도를 돌지만 전자들 끼리의 척력에 의해 운동이 교란되어도 크게 상관없이 원자핵에 속박된채로 있을 수 있다고 생각했다. 이러한 생각은 실제로 오늘날까지도 원자의 모습을 상징하는 그림으로 이용하고 있다.

이러나 이 모형이 나온 직후 이것이 여러가지 심각한 문제점을 가지고 있는 것이 밝혀지고 새로운 이론이 나오지 않으면 안될 처지에 놓이게 되었다. 그 문제점 중 하나는 전자가 지구처럼 원운동을 하는 경우 전자가 수십억분의 1초 이내에 원자핵에 나포되어 버려서 원자로서의 수명을 다한다는 것이고, 다른 하나는 앞에서 띄엄띄엄한 스펙트럼의 빛을 방출한다는 것을 설명할 수 없는 점이었다.

전자기 이론에 따르면 가속운동을 하는 전하는 전자기파를 방출하면서 역학적 에너지를 잃어버리게 된다. 이에 따라 핵을 돌고 있는 전자의 궤도운동에 대해 이 이론을 적용해 본 결과 만일 궤도반경이 0.1 nm 정도라면 모든 운동 에너지를 잃어버리고 핵에 포획되는 시간이 수 ps (10^-12s) 이내라고 알게 되었다. 다음 그림은 이를 나타낸 것이다.

한편 궤도운동을 하는 전자로부터 방출되는 복사선은 파장이 넓은 범위에 걸쳐있는 연속스펙트럼인 데 이는 앞서 '원자 스펙트럼'에서 설명한대로 원자가 내는 실제의 띄엄띄엄한 스펙트럼과도 맞지 않았다. 이에 따라 러더퍼드 원자모형은 그에 의한 산란실험은 잘 설명하였지만 또다른 문제에 부딪히면서 새로운 원자모형이 나타날 수 밖에 없게 되었다.

photo

물리학을 뒤흔든 30년_양자역학이 성립되는 과정에 대한 가모브의 역사적인 저서로서 일반인을 위하여 집필하였다.

물리학을 뒤흔든 30년 - 가모브의 책 제목 (Thirty Years that Shook Physics, G. Gamow)

20세기 초반, 특히 1900년부터 1930년까지의 30년간의 물리학계에서는 이처럼 새롭게 나타난 이론이 심각한 문제에 부딪치면 한동안 교착상태에 빠지다가도 곧 새로운 물리학자가 혜성과 같이 등장하여 이 문제들을 말끔하게 해결해 버리는 시대였다. 이 기간 동안 20세기의 새로운 물리학의 기본틀이 다 완성되는 실로 빛나는 30년이었다. 물리학은 모든 자연과학의 가장 중심에 있었고, 상대성이론, 불확정성원리 등은 다른 철학, 경제학등 인문사회과학 등 사회 전반에 지대한 영향을 미쳤다.

_ 원자 스펙트럼_ 불확정성원리_ 양자역학_ 전자기파_ 전기력_ 가모브_ 초점_ 전하