물리학의 대가도 설명할 수 없었던 현상들

1900년 플랑크 상수(h)는 ‘흑체 복사 미스터리’에 빠져 있던 물리학을 구해냈지만, 동시에 인류가 경험해 보지 못한 세상을 열었다(과학동아 6월호 상수의 탄생 참고).

톰슨과 러더퍼드의 모형은 원자와 전자의 존재를 그럴싸하게 설명했지만, 걸음마에 불과했다. 이제 그 다음 이야기를 시작해보자. 바로 양자역학이다.

[고전물리학의 균열을 메운 보어]
1. 물리학의 대가가 설명해 낸 특이한 효과
2. 물리학의 대가도 설명할 수 없었던 현상들
3. 닐스 보어, 원자 모형으로 물리학의 대가되다

원자 모형의 변화. 위에서부터 차례대로 톰슨, 러더퍼드, 보어의 원자모형이다. 마지막은 훗날 하이젠베르크와 슈뢰딩거가 제안한 양자모형. - Ville Takanen(W) 제공

당시는 광전효과뿐만 아니라 고전물리학의 균열도 띄엄띄엄 드러나던 시대였다. 예를 들어보자. 고루 퍼져 있는 양전하에 군데군데 전자가 박혀 있다고 본 톰슨의 원자 모형은, 원자핵을 발견한 러더퍼드의 산란 실험으로 무너졌다(과학동아 9월호 상수의 탄생 참고). 마침내 물질의 구조를 완전히 이해했다는 기쁨도 잠시, 러더퍼드의 발견은 그때까지 견고하다고 믿었던 고전물 리학에 치명상을 입히게 된다.

양전하를 띤 원자핵과 음전하를 띤 전자 사이에는, 쿨롱의 전기력이 서로를 잡아당기는 방향으로 작용한다. 보편중력의 영향으로 지구가 태양 주위를 공전하는 것처럼, 전자가 원자핵 주위를 빙글빙글 돌고 있다. 그런데 지구와 달리 전자는 전하량을 가지고 있다.

맥스웰이 완성한 고전전자기학(과학동아 8월호 상수의 탄생 참고)에 따르면, 가속운동하는 전하는 전자기파를 계속 발생시킨다(움직이는 방향이 계속 달라지는 원운동도 가속운동이다). 따라서 원자핵 주위를 도는 전자는 전자기파를 계속 발생시키고, 전자의 운동에너지는 점점 줄어든다.

고전물리학은 이처럼 전자기파로 빼앗긴 에너지로 인해 원운동 궤도가 점점 작아지면서, 결국 전자가 원자핵에 충돌해 하나가 될 거라고 예측했다. 하지만 우리의 몸이 늘 멀쩡한 데에서 알 수 있듯, 그런 일은 벌어지지 않는다.

이뿐만이 아니었다. 1885년 스위스의 물리학자 요한 발머와 스웨덴의 물리학자 요하네스 뤼드베리는 뜨거워진 수소원자에서 나오는 빛의 파장을 측정했다. 뤼드베리는 방출된 빛의 파장(λ)이 의 꼴(R은 뤼드베리 상수, m, n은 n > m인 자연수)을 만족한다는, 다시 말해 에너지가 큰 수소원자에서 나오는 빛의 파장이 불연속적이라는 실험결과를 발표했다. 역시 당시까지의 고전물리학으로는 이해할 수 없는 현상이었다.\
동아사이언스