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러더퍼드 경의 실험결과를 그대로 받아들이면 원자란 초미니 태양계처럼 되어 있다는 것이다. 원자는 그 중심부에 원자핵이 있고 그 주위를 전자가 돌고 있다. 원자핵의 크기는 반경이 10㎝(0.0000000000001㎝) 정도이고 전자가 돌고 있는 궤도의 반경은 10㎝ 정도가 된다는 것이다. 따라서 원자 역시 태양계처럼 대부분이 텅빈 공간이고 원자핵이 차지하는 체적은 원자 전체의 (10/10)3 즉 10분의 1밖에 되지 않는다는 말이 되겠다. 그런데 이 러더퍼드의 원자모형에는 문제가 있다. 그 이유는 다음과 같다.

18세기에 완성된 전기와 자기의 물리학인 전자기학에 의하면 전기를 띤 물체가 가속운동을 하면 반드시 전파가 나오게 되어 있다. 따라서 미니 태양계를 이루는 원자계에서 빠른 속도로 돌고 있는 전자는 전파(물리학자들은 전자파로 부르는 것을 더 좋아한다. 전파는 전기장뿐 아니라 자기장의 파동이기도 한 까닭이다)를 발산하기 마련이다.

워낙 가벼운 전자는 빨리 돌고는 있지만 많은 운동에너지를 가지고 있지 않다. 그런데 이런 전자가 전자파를 통하여 자기자신의 운동에너지를 깎아먹고 에너지를 방출하는데 문제가 있다. 실제로 전자의 질량이 10㎏, 전기량이 10쿨롱, 궤도반경이 10㎝ 등 구체적인 값을 써서 어렵고 골치아픈 물리계산을 해보면 10초란 짧은 시간 동안에 전자는 자기 자신의 모든 운동에너지를 방출하고 원자핵에 빨려 떨어져버린다는 것이다. 처음에는 천천히 에너지를 방출하다가 소용돌이치는 물의 중심부에 빨려 들어가는 조각배처럼 원자핵에 잡히는 마지막 순간에는 순식간에 모든 에너지를 잃고 양전기를 띤 원자핵에 빨려서 잡히게 된다. 긴 이야기를 요약하면 전자는 순식간(10초)에 원자핵에 빨려들어 합쳐진다는 것이다. 따라서 원자는 순식간에 없어진다는 것이며 이는 원자로 된 물질의 불멸성에 위배된다. 우리들 눈앞에서 쇠뭉치가 갑자기 수축하면서 없어진 것을 본 사람은 아무도 없을 것이다.


[ 톰슨의 원자모형 ]
따라서 순식간에 사라지는 러더퍼드의 원자모형이란 말도 되지 않는다. 사실상 일본인 나가오까 한타로는 이 문제때문에 반죽형 모형을 내놓는 것이다(J.J.톰슨도 같은 모형을 발표했지만 나가오까보다 늦었다고 함). 그의 모형에서는 가벼운 양전기를 띤 것과 음전기를 띤 가벼운 전자가 밀가루 반죽처럼 서로가 고루 섞여서 밀고 잡아당기는 힘이 엇비끼고 있기에 움직이지 않는 평형상태를 유지하고 있다. 정지하고 있는 대전체(전기를 지닌 물체)는 전파를 방출하지 않는 까닭에 이 모형에서는 러더퍼드 모형의 불안정성을 염려조차 할 필요가 없다.

그렇지만 러더퍼드의 실험에서 엄연히 드러난 무거운 핵의 존재와 텅빈 공간을 부인할 수는 더더욱 없다. 사랑을 따르자니 스승이 울고 스승을 따르자니 사랑이 운다는 신파극과 같은 처지가 된 것이다.

그렇지만 이런 경우 물리학자들은 행동지침을 가지고 있다. 즉 ‘百聞이 不如一見’의 원칙이다. 아무리 근사한 이론이라도 실험을 통하여 확인한 사실이 아니라면 믿지 말라는 철칙이다.

이런 지침에 따르면 러더퍼드의 기본적인 틀인 무거운 원자핵이 있다는 것은 실험으로 확인한 사실이고, 나가오까의 모형은 실험에서 부적합 판정을 받았기에 당연히 러더퍼드 모형을 따라야 한다. 아마 러더퍼드 모형인 초미니태양계 모형에 우리들이 미처 깨닫지 못한 다른 비밀이 숨어 있을지는 모르지만 무거운 원자핵이 있다는 사실은 실험결과이므로 받아들여져야 한다. 그 당시 물리학자들의 고민은 그 뿐이 아니었다.

이야기는 좀 다르지만 원소에서 흡수되는 빛에 대해서도 전혀 이해가 되지 않는 점이 많았다. 그 당시는 분광학이 유행된 시대였다. 분광학이란 프리즘을 통해서 빛을 분사시키면 겉보기에는 색깔이 없는 빛깔도 여러가지 색깔로 갈라지는 기법을 써서 빛의 성질을 연구하는 분야였다. 영국인 맥스웰에 의하여 전기와 자기의 파동이 가능하고 이 전자기파의 속도는 빛의 속도인 30만㎞/초임이 이론적으로 밝혀졌었다. 이것을 확인하기 위하여 헤르쯔는 전기와 자기의 파동인 전파를 인공적으로 만들었고 이태리인 마르코니는 이를 먼 곳에 보내어 수신하는데 성공함으로써 전파의 속도가 30만㎞/초임을 확인했다. 그렇다면 빛 역시 전파이며, 다만 빛은 진동수가 큰 (파장이 짧은) 전파란 것이 알려졌다. 우리들이 듣는 FM방송은 100메가 헤르쯔 정도이어서 파장이 약 1미터 정도인데 비하여 붉은 색은 0.00003㎝ 정도의 파장인 것 외에는 둘 다 같은 전자파인 것이다. 이러한 배경에서 생각해볼 때 프리즘을 통한 빛은 그 파장에 따라서 펼쳐진다는 것을 알 수 있다. 그런데 스위스의 과학교사인 발머가 빛에 수소가스를 통과시켜서 프리즘으로 분산시켜 보았더니 까만 흡수선이 나타나는 것을 발견했다. 흡수선이란 빛이 물질을 통과할 때 그 파장의 전자파가 원자에 흡수되었기에 나타나는 것이다. 그런데 문제는 발머계열이라고 불려지는 이 흡수선이 선택된 파장에서만 나타난다는 것이다(사실상 발머계열 파장이 3/4, 8/9, 15/16 등의 비율로 불연속적으로 나타나고 있다).

수소원자는 선택된 파장만 흡수할까? 이것 역시 러더퍼드 모형으로 이해되지 않는다. 왜냐하면 전자파를 원자가 흡수하면 궤도를 돌고 있는 전자에 흡수될 것이고 전파, 즉 빛에너지를 흡수한 전자는 에너지를 얻어서 조금 더 빨리 돌면 될텐데 왜 선택된 에너지를 가진 파장만 흡수할까? 물론 전자가 돌 수 있는 궤도가 제한되어 있다면 문제가 다르지만 우리들 공간은 어디에도 제약이 없고 전자 역시 어느 궤도에서도 돌고 있을 수 있다.

뒤에 밝혀지지만 에너지 자체가 띄엄띄엄 변하고 공간 역시 제한 조건이 있어서 가능한 궤도와 그렇지 않은 궤도의 제약이 있다는 것이 드러난다. 이러한 개념을 이해하기 위하여 많은 천재들이 수많은 세월을 고민 속에서 지새웠고 그들의 노력이 마침내 20세기의 과학을 열게 된다. 어떤 것일까? 그 첫째 실마리는 아인슈타인이 빛을 새롭게 이해하는데서부터 시작된다.
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