[2015개정 물리학1] 원자의 구조와 전기력
고대 그리스 시대에 호박을 문지르면 옷자락이나 먼지 같은 것들이 달라붙는다는 것이 알려져 있었다. 유럽의 언어들에서 전기를 뜻하는 단어들(영어: electricity, 프랑스어: électricité, 독일어: Elektrizität)은 호박을 뜻하는 고대 그리스어: ήλεκτρον 엘렉트론]에서 기원하였다.
고대 사람들은 이와 같은 전기 현상을 일으키는 원인을 입자의 질량에 대응한 '전하'란 개념을 도입하여 설명하려고 했다. 전하란 전기 현상을 일으키는 원인으로 양(+)전하와 음(-)전하가 있고 같은 종류의 전하끼리는 척력이 작용하고 다른 종류의 전하끼리는 인력이 작용한다.
1. 전기력
호박을 천으로 문지르면 두 물체 사이에서 전자가 이동하여 전하의 균형 상태가 깨지게 된다. 상대적으로 전자의 개수가 많은 물체는 음전하를 띠게 되고, 양전하의 개수가 많은 물체는 양전하를 띠게 되는데 이처럼 전기적으로 중성이었던 물체가 전기를 띠게 되는 것을 '물체가 대전되었다.'고 정의한다. 이처럼 대전된 물체끼리는 어떠한 힘이 발생하게 되는데 이러한 힘을 전기력이라고 한다.
이러한 전기력의 크기를 정량화한 사람이 쿨롱이고, 쿨롱은 뉴턴의 만유인력 법칙을 그대로 차용하여 전하들의 전하량과 전하들끼리의 거리로 전기력 크기를 다음과 같이 정의한다.
2. 원자의 구조
호박을 천으로 문지르는 특이한 상황을 제외하고는 보통의 물건은 전기를 띠지 않는데 이를 전기적으로 중성 상태라 하며 물체가 중성 상태에 있는 이유는 양전하와 음전하의 개수가 똑같기 때문이라고 설명하였다.
여러분들이 알고 있듯이 물질을 이루는 가장 기본적인 단위는 돌턴이 도입한 원자이다. 물질이 중성이라면 물질을 구성하는 원자도 전기적으로 중성이어야 하지 않겠는가?
원자는 양전하를 띠고 있는 원자핵과 음전하를 띠고 있는 전자로 이루어져 있으며 이때 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 전자에 비해 상대적으로 질량이 매우 크기 때문에 전자가 원자의 중심에 고정되어 있는 원자핵 주위를 움직이는 모형으로 원자의 구조를 설명한다. 이때 원자핵을 구성하는 중성자는 전하를 띠지 않으며, 양성자가 나타내는 전하량과 전자가 나타내는 전하량이 같기 때문에 원자는 전기적으로 중성 상태를 띠게 된다.
러더퍼드는 이처럼 전자가 전기적 인력에 의해 원자핵 주위를 원운동하는 모형으로 원자의 구조를 설명했다. 그러나 이 원자 모형은 명백한 한계를 가지고 있었다. 여러분들이 알고 있듯이 등속 원운동은 가속도 운동이다. 즉 전자가 가속 운동을 하고 있다. 그러나 가속 운동을 하는 전자는 전자기파를 발생한다.(그 이유는 전공 물리에 해당하는 내용이니 그렇다고 이해만 하자.)
그림에서 보듯이 전자는 계속 전자기파의 형태로 에너지를 방출하니 언젠가 원자핵과 만나게 되어 원자는 붕괴되어버린다. 즉 원자의 안정성을 설명할 수 없는 모델인 셈이다.
게다가 전자가 연속적으로 에너지를 방출한다면 그에 따른 빛 파장 스펙트럼이 연속적인 분포를 보여야 할 것인데 실제로는 불연속 선 스펙트럼을 보인다는 것이다. 여러모로 러더퍼드의 원자 모형은 문제점이 많았다. 따라서 새로운 원자 모형이 필요하게 되었다.
보어는 원자의 안정성과 수소 원자의 선 스펙트럼 모두를 설명하는 기가 막힌 원자 구조 모형을 제시한다. 왜 기가 막히냐면 오로지 사고만으로 구상한 약간 때려 맞히기 식의 가설 범벅 모형이 현상을 정확하게(숫자 소숫점까지)설명했다는 것이고, 보어의 아이디어는 이후에 나오게 된 드브로이의 물질파를 매우 적절하게 설명함과 동시에 양자 역학의 근간이라 말할 수 있는 각운동량의 양자화 개념까지 탄생시켰기 때문이다.