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[고전물리학의 균열을 메운 보어] 닐스 보어, 원자 모형으로 물리학의 대가되다

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[고전물리학의 균열을 메운 보어] 닐스 보어, 원자 모형으로 물리학의 대가되다

2015.10.30 19:26
[과학동아 11월호] 상수의 탄생

1900년 플랑크 상수(h)는 ‘흑체 복사 미스터리’에 빠져 있던 물리학을 구해냈지만, 동시에 인류가 경험해 보지 못한 세상을 열었다(과학동아 6월호 상수의 탄생 참고).


톰슨과 러더퍼드의 모형은 원자와 전자의 존재를 그럴싸하게 설명했지만, 걸음마에 불과했다. 이제 그 다음 이야기를 시작해보자. 바로 양자역학이다.
 
[고전물리학의 균열을 메운 보어]
1. 물리학의 대가가 설명해 낸 특이한 효과
2. 물리학의 대가도 설명할 수 없었던 현상들
3. 닐스 보어, 원자 모형으로 물리학의 대가되다

 

이제 오늘의 주인공, 덴마크의 물리학자 닐스 보어가 등장할 차례다. 1913년 보어는 당시 물리학이 풀지 못하고 있던 문제들을 한방에 해결할, 새로운 원자모형을 제시했다. 보어의 원자모형은 다음과 같은 가정 위에 세워졌다.

 

 

보어는 쿨롱의 전기퍼텐셜 에너지를 고려한 고전적인 수식에 이 가정들을 적용해, 수소원자에 묶여 있는 전자가 띄엄띄엄한 에너지 값만을 가질 수 있음을 증명했다. 보어의 모형은 뤼드베리가 발표한 불연속적인 수소 스펙트럼도 정확히 설명했다. 또한 수소원자의 전자가 가질 수 있는 최소한의 궤도 반지름이 있고, 이보다 작은 반지름을 가질 수 없다는 사실도 밝혀냈다.


이 반지름을 보어 반지름이라 부른다. 즉 보어 반지름을 따라 원자핵을 도는 전자는 가장 낮은 에너지 상태에 있는 것이다. 이때의 각운동량(L1= ħ)으로부터 전자의 자기 모멘트를 구할 수 있다. 이를 보어 마그네톤이라고 한다(INSIDE 참조). 궤도운동을 하는 전자가 가질 수 있는 가장 작은 자기 모멘트 값이다.


보어의 원자모형은 이처럼 많은 난제를 해결했지만, 여전히 이론적으로는 논란이 있었다. 슈뢰딩거와 하이젠베르크가 양자역학을 완성한 뒤에야 보어의 원자모형도 체계적인 이론이 됐다. 아직 우리에겐 더 많은 이야기가 남아 있다.

 

○ 보어의 원자모형

 

 

※ 김범준
성균관대 물리학과 교수. 통계물리학 특히 사회/경제/물리 복잡계가 주요 연구 관심분야다. 세상을 물리학의 눈으로 바라보고, 이를 바탕으로 대중과 소통하는 활동도 활발히 하고있다. 최근 새 책 '세상물정의 물리학'을 펴냈다. beomjun@skku.edu

 

 

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