고대로부터 여러 철학자들은 “자연은 무엇으로 구성되어 있는가?”라는 의문을 풀기 위해 많은 노력을 해왔다. ‘만물의 근원은 물’이라는 탈레스의 말이나 자연계의 모든 것의 이면에는 숫자가 포함되어 있다는 피타고라스의 주장처럼 초기의 그 해답은 매우 신화적이며 철학적이었다.

지금 우리는 원자가 이 세상의 모든 물질을 이루는 기본 입자라는 사실을 의심 없이 받아들이고, 고성능 현미경을 이용해 직접 눈으로 원자의 상을 확인할 수도 있지만, 19세기 후반까지도 많은 과학자들은 원자의 존재를 믿지 않았다. 물질의 본질에 대한 인류 탐구의 역사는 2천 년 이상의 긴 여정을 통해 오늘에 이른 것이다.

‘만물의 근원은 물’이라는 그리스 철학자 탈레스의 이론은 엠페도클래스에 의해 물, 흙, 공기, 불의 4원소설로 발전되었고, 아리스토텔레스는 물질의 근원을 설명하기 위해 4원소 외에 뜨거움과 차가움, 마름과 축축함의 4가지 성질을 제안했다. 즉, 물질은 영원불변하지 않으며 이들 4원소의 성질을 변화시키면 상호 변환될 수 있다는 주장이었다.

중세 연금술의 이론적 근거가 된 것은 아리스토 텔레스의 4원소설이다. 금이 만들어지는 원리를 설명해 보면, 임의의 물질에 대해 냉, 온, 건, 습의 인위적 조작을 가하면 그 물질의 물, 불, 흙, 공기의 배합 비율이 변하고 그 결과가 정확히 금의 배합 비율과 일치할 때 금이 생성된다는 것이 연금술의 원리이다.

기원전 5세기 아리스토텔레스와 비슷한 시기에 데모크리토스는 자연 속의 물질이 극히 작은 ‘기본 구성 요소’들로 결합된 것이라는 생각을 하였다. 그는 물질을 계속해서 잘라 나가면 궁극적으로는 더 이상 자를 수 없는 작고 단단한 입자에 도달할 것이라는 결론을 내렸다.

그리고 이 입자에 그리스어로 ‘더 이상 쪼갤 수 없는’이라는 의미를 지닌 ‘원자(atoma)’라는 이름을 붙였다. 데모크리토스는 원자들이 다른 모든 것들보다 앞서 존재했으며, 자연의 모든 것들은 어떤 강력한 원자의 소용돌이 속에서 우연히 탄생했다고 생각했다. 그러나 자연에 보편적으로 존재하는 기본 입자가 있다는 데모크리토스의 원자설은 2천 년 이상 아리스토텔레스의 4원소설에 가려 빛을 보지 못하다가 17세기에 이르러 비로소 근대 원자론으로 발전하게 되었다.

고대의 원자론은 실험적 연구나 수학적 추리의 산물이라기보다는 사색과 직관에 의한 것이므로 현대적 의미의 과학 이론이라고는 보기 어렵다.

데모크리토스의 원자론을 부활시킨 사람은 영국의 돌턴으로서, 원자는 더 이상 쪼갤 수 없는 물질을 이루는 기본 단위라는 근대적 원자설을 제창하였다.

돌턴은 그의 원자설에 근거하여 더 이상 쪼개지지 않는 단단한 공 모양의 원자 모형을 주장하였다. 원자는 더 이상 쪼갤 수 없다는 돌턴의 생각은 톰슨의 음극선 실험에 의해 오래지 않아 수정되었다.

그때까지 물질의 기본 요소로 생각했던 원자 속에서 아주 가볍고 음전하를 가진 전자가 방출되는 실험 결과로부터 톰슨은 다음과 같은 원자 모형을 가정하였다.

전자는 음전하를 띤 입자인데 원자는 모두 전기적으로 중성이다. 따라서 원자 안에는 음전하의 전자만 있는 것이 아니라 양전하를 띤 물질도 포함되어야만 한다.

당시까지는 전자와 같은 원자의 구성 요소이며 양전하를 띤 입자는 발견되지 않았지만, 톰슨은 +전하가 넓게 퍼져 있는 속에 전자가 마치 푸딩 속의 건포도처럼 박혀 있는 푸딩 모형으로 원자를 이해했다.

그렇다면 원자에서 전자를 떼어낸 나머지 양전하를 가진 입자의 본질은 무엇일까라는 질문이 남는다.

이 질문에 대한 해답은 러더퍼드의 알파선 산란 실험에 의해 밝혀졌다.

러더퍼드는 무거운 알파 입자를 금속 판막에 충돌시키는 실험을 하였는데, 그 결과 금속 판막을 통과한 대부분의 알파 입자는 예상대로 직진하는데 그 중 극히 일부는 경로가 휘어지거나 반대 방향으로 튕겨 나가는 것도 관측되었다.

이제 톰슨의 원자 모형을 대체할 새로운 모형이 요구되었다. 러더퍼드는 원자 중심의 아주 작은 영역에 거의 모든 질량이 집중된 양전하를 띤 원자핵이 있고, 대부분 빈 공간인 그 주위로 전자가 궤도 운동을 하는 태양계와 같은 원자 모형을 제안하였다.

그래서 러더퍼드의 원자 모형을 행성 모형이라고 부른다.

그러나 러더퍼드의 행성 모형은 전자와 같이 전하를 띤 입자가 원운동을 하면 계속해서 전자기 복사선을 방출해 에너지를 잃게 됨으로써 원자는 안정하게 존재할 수 없다는 문제점을 드러내었다.

이 모순점을 해결하기 위해 보어는 양자의 개념을 원자 구조에 도입하였다.

양자(quanta)란 불연속적인 에너지 단위로, 양자화되었다는 것은 일정한 에너지만이 허용됨을 의미한다. 보어는 전자 궤도에 불연속성이 존재한다는 것을 증명하여 수소 스펙트럼을 설명하였으며, 전자가 특정한 에너지를 갖는 고정된 궤도에서 움직인다는 새로운 모형을 제시하였다.

고전 역학은 거시적인 세계의 운동을 기술하였는데, 원자와 같은 미시적인 세계의 운동을 설명하는 데는 한계에 직면하게 되었다. 이 때 탄생한 것이 양자 역학이다.

19세기 말 플랑크의 흑체 복사 연구에서 시작된 양자 이론은 아인슈타인의 광전 효과, 콤프턴의 실험 등을 통해 빛의 광양자설이 확립되었고, 하이젠베르그의 불확정성 원리에 이르러 완성되었다.

불확정성 원리는 전자와 같은 소립자는 그 위치와 운동량을 동시에 정확하게 알 수는 없다는 것이다.

이러한 양자 역학을 토대로 원자에 대한 현대적 개념의 모형이 등장하였다. 전자는 어느 한 순간에 그 위치와 운동량 두 가지를 동시에 측정할 수 없으므로 어느 위치에서 전자를 발견할 확률을 계산하여 확률 분포를 구름처럼 표시한다.

이와 같은 전자의 확률적 공간 분포를 궤도 함수(orbital)라 부르며, 따라서 현대의 원자 모형은 전자구름 모형 또는 궤도 함수 모형이라 부른다.

<어지원 1318논술연구소 언어논술강사>