공부하고 정리하고

오늘은 세상을 이루는 물질에 대한 탐구의 역사에 대해서 소개해볼까 합니다. 여러분들은 입자라 하면 가장 먼저 뭐가 떠 오르시나요? 전 과학에 대해 배우기 전에는 모래 알갱이 같은 이미지를 떠올렸답니다. 여러분들은 어떻게 떠오르시나요? 이러한 상상을 고대시대부터 옛 선조들은 해왔습니다. 이 세상을 구성하는 기본 구성 입자는 무엇일까? 이러한 탐구는 고대 탈레스 시대부터 사람들은 생각하며 논의해왔습니다.

그중에 아리스토텔레스는 물질의 근원은 불, 공기, 물, 흙으로 이루어진다고 생각했습니다. 그리고 나아가 우주에는 가장 완전하며 순수한 5원소가 존재할 것이라고 생각했죠. 어떻게 보면 정말 눈으로 볼 수 있는 현상을 정밀하게 분석한 결과가 아닐까 생각합니다. 그 당시 제가 아리스토텔레스 앞에서 이 이야기를 듣고 있었다면 설득당하고 말았을 것입니다…

하지만 이것은 세상을 이루는 기본 입자는 아니었지요. 이러한 고민은 한참이 지나 지금의 원자론에 가까운 이론에 도달합니다. 1800년대에 돌턴은 질량 보존 법칙과 일정 성분비 법칙에 의해 세상의 기본 입자는 더 이상 쪼개질 수 없는 원자로 존재할 것이라고 주장하였습니다. 이 원자는 현재의 모델의 시초라고 볼 수 있습니다.

하지만 이 이론은 톰슨에 의해 깨지게 됩니다. 톰슨은 음극선 실험을 하다가 전자를 발견했기 때문이죠. 톰슨은 이 전자가 원자에서부터 왔다고 생각했고 중성인 원자가 전자를 가지기 위해서는 원자 안에 ‘빵안에 박힌 건포도처럼’ 전자들이 있어야 한다고 생각했습니다. 이렇게 이론은 한 단계 발전합니다.

하지만 이 이론도 틀렸습니다. 러더퍼드는 알파선을 금박에 쏘는 실험을 했었는데 이 실험 중 놀라운 결과가 생겼습니다. 이 당시 러더퍼드는 대포알을 화장지 조각에 발사했는데 튕겨 나왔다라는 식으로 말했다고 합니다. 왜냐하면, 알파선은 자기보다 훨씬 작은 전자와 부딪힌다면 직진하거나 산란을 하더라도 아주 약간만 할 것이라고 생각하였기 때문이죠. 하지만 실험결과 아주 크게 산란하는 알파선이 생겼습니다.

이때 러더퍼드는 생각했습니다. 아! 원자는 중심에 핵이라는 존재가 있고 전자가 그 주변을 돌고 있구나! 라고 말이죠. 이렇게 러더퍼드 모델이 탄생하게 됩니다.

하지만 이 이론 또한 틀렸습니다. 이 당시 전자기학에 대한 이해도가 있던 시절인데 중심에 핵이 있고 전자가 그 주위를 원운동을 하며 돌고 있다는 러더퍼드 모델에는 큰 모순이 있었기 때문입니다. 바로 전자가 움직이게 되면 전자기파로 에너지를 방출한다는 점이었죠. 전자가 움직이면서 전자기파를 방출하면 자신은 점차 에너지를 잃게 되고 그럼 원운동을 유지를 할 수 없으며 원자핵으로 떨어져 버릴 것이라는 것이었죠. 러더퍼드는 이 문제에 대해서 해결하지 못합니다.

대신 보어는 이 문제를 해결할 수 있는 원자 모델을 제시합니다. 이 모델은 양자역학을 적용한 모델입니다. 원자 주변에 에너지 레벨이라는 불연속 층이 있고 이 에너지 레벨에 전자는 갇혀있으며 이 궤도에서는 안전하게 에너지 방출 없이 운동을 한다는 것이지요. 거의 다 왔습니다. 원자 모델이 거의 다 완성이 되었군요. 사실 이 모델로도 현대의 거의 모든 현상을 설명할 수 있습니다.

하지만 양자역학에서 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따르면 위치와 운동량 두 가지를 우리는 한번에 결정지을 수 없습니다.

관측이라는 행위를 할 때 정해집니다. 말이 어렵습니다만 뚜껑 열어보기 전에 모른다는 말이 있죠? 바로 딱 그 말입니다. 예를 들자면 자 어제 우리는 된장찌개와 김치찌개를 점심 저녁때 각각 먹고 남겼습니다. 하지만 우린 어디 뚝배기에 끓였는지 모릅니다. 자 한 개의 뚝배기를 들고 옵니다. 여러분은 뚜껑을 열기 전에 무슨 찌개인지 모릅니다. 된장찌개일까요? 김치찌개일까요? 1/2의 확률이죠. 뚜껑을 열어보기 전에는 알 수 없죠. 이러한 방식으로의 설명을 양자역학에서는 이용합니다. 전자의 궤도와 운동량의 상태들은 확률로써 존재합니다. 이를 양자 중첩이라는 말로 표현합니다. 즉 상태가 중첩이 되어있다는 말이죠. 그래서 하고 싶은 말은 전자의 궤도가 불연속적으로 나눠져 있고 이를 설명하려고 하지만 실제 전자가 정확히 어디 궤도에 있다고 우리는 말할 수 없습니다. 우리가 관측이라는 행위 사용이라는 행위를 하면서 그 전자는 그 위치에서 관측이 되기 때문이죠. 그래서 이러한 현상을 적용하기 위해 전자는 구름의 형태로 있다고 설명합니다. 이게 현대에서 설명하는 원자 모델입니다.

그럼 세상을 이루는 가장 기본입자로 원자는 전자와 핵으로 이루어진 이 상태가 진짜로 끝일까요? 아직 가야 할 길이 있습니다. 돌턴은 원자가 더 이상 쪼개어질 수 없는 상태라고 하였지만 실제 원자는 쪼개어집니다. 원자는 양성자와 중성자로 이루어져 있기 때문이죠. 그리고 이 양성자와 중성자는 글루온이라는 입자가 힘을 매개하게 됩니다. 그럼 이게 마지막 상태일까요? 이번에도 아닙니다. 양성자는 업쿼크 두 개와 한 개의 다운쿼크로 이루어 집니다. 중성자는 두 개의 다운쿼크 한 개의 업쿼크로 이루어지죠. 쿼크까지 왔군요. 이 입자가 세상을 이루는 가장 작은 입자입니다. 이번이 정말 마지막이죠. 아직까지는 말이죠. 

.“해당 포스팅에 사용한 이미지의 출처는 구글 이미지임을 알립니다”