양자역학 ep.2 양자도약

조셉 존 톰슨(Joseph john Thomson, 1856-1940)은 전자를 발견하면서 노벨 물리학상을 수상하고 최초의 원자모형을 제시하였습니다. 그리고 그의 제자 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson, 1871-1937)는 스승의 원자모형을 반박하며 수정된 원자모형을 제시했습니다. 여러분 제가 쓰는 글에 나오는 대부분의 등장인물은 노벨상 수상자들입니다. 러더퍼드도 마찬가지입니다. 이 원자모형들이 해결하지 못한 부분이 바로 양자도약이라는 부분입니다. 

양자도약

닐스 보어(Niels Henrik David Bohr, 1885-1962)가 등장합니다. 보어는 첫 번째 원자모형을 만들었던 톰슨의 제자이자, 두 번째 원자모형을 만들었던 러더퍼드의 제자이기도 합니다. 원자모형에서는 양성자가 있고 그 주위를 전자들이 돌고 있었습니다. 여기서 플러스 전하를 가진 양성자와 마이너스 전하를 가진 전자는 서로 달라붙어야 합니다. 그런데 계속 돌고 있다는 것은 전자가 에너지를 소모해서 계속해서 가속하고 있다는 말인데 파동방정식에 의하면 말이 안 되는 모형이었던 거죠. 닐스 보어는 이상한 결론을 내립니다. 일종의 가설을 만든 것이죠. 원자는 붕괴되지 않는다고 말이죠. 이 결론을 내려놓고 원인을 찾아보는 방식의 접근을 했습니다. 전자는 정상상태에 있고 궤도를 이동 시에는 불연속적으로 이동한다고 설명했습니다. '정상상태'라는 것은 마치 기찻길 위기 기차가 그 레일을 벗어나지 못하는 것과 비슷합니다. 일정 궤도 안에서만 머무를 수 있다는 것이지요. 그리고 이동 시에 불연속적으로 이동한다는 것은 순간이동과 비슷합니다. 한마디로 서울에서 부산으로 이동하는데 그 중간은 거치지 않고 순간적으로 이동한다는 말이지요. 이를 양자도약이라고 합니다. 문제는 이런 정상상태와 양자도약이 확인은 되었으나 그 이유를 설명하지 못했습니다. 

 

원자모형

술자리에서 만들어진 '물질파 이론'

루이 드 브로이(Louis de Broglie, 1892-1987)라는 과학자가 등장합니다. 그는 동료 물리학자들과의 술자리 중에서 전자도 입자 이면서 동시에 파동이 아닐까 하는 이야기를 하다가 테이블보에 그런 내용을 적어 놓았습니다. 이렇게 탄생한 것이 바로 '물질파이론'으로서 광자에서 확인된 입자와 파동의 동시성이 전자에도 적용될 수 있다는 생각을 시작하게 됩니다. 그러나 아무도 관심을 갖지 않던 그 이론에 아인슈타인이 관심을 가지게 되었습니다. 세계최고의 과학자가 아직 박사학위도 없던 드 브로이의 논문에 관심을 갖게 된 것입니다. 이 이론이 발표되고 3년 정도 뒤에 전자를 이용한 이중슬릿 실험이 이루어졌고 이 실험에서 물질파 이론은 실험적으로 증명이 되었습니다. 광자와 마찬가지로 전자의 이중슬릿 실험에서도 파동의 증거인 간섭무늬가 나타난 것이지요.

 

관측하면 사라지는 파동의 흔적 간섭무늬

이 전자의 움직임에 대한 직접 관측을 시도 합니다. 그런데 정말 이상한 일이 일어납니다. 이 슬릿을 통과하는 전자를 관측하니 그동안 나타나던 간섭무늬는 사라지고 입자의 특성인 두줄의 무늬가 나타나는 것입니다. 이는 과학자들을 혼란스럽게 만들었습니다. 이제 점점 우리가 흔히 들었던 내용이 나올 때가 된 것 같습니다. 다음 편으로 이어지겠습니다.