원자에 관한 탐구: 그 2,400년의 장정 - 테레사 더드 (Theresa Doud)

전체 강의: http://ed.ted.com/lessons/the-2-400-year-search-for-the-atom-theresa-doud

물질이 무엇으로 이루어졌는지 어떻게 알수 있을까? 원자에 대한 탐구는, 2,400년 전 한 그리스의 철학자의 연구로 시작되었다가, 이후 한 퀘이커 교도와 노벨상을 수상한 몇몇 과학자들로 이어지는 긴 여정을 거친다. 테레사 더드는 원자론을 정립해 온 이런 긴 역사의 과정을 상세히 다룬다.

강의: 테레사 더드 (Theresa Doud)
영상: TED-Ed.

고대 그리스의 철학자들과

19세기의 퀘이커교 신도와

노벨상을 받은 과학자들 사이에
공통점이 있다면 과연 그게 뭘까요?

이들은 비록 역사상 2400년 이상
동떨어진 시대에 살았지만

풀리지 않는 한 문제의 답을 찾기 위해
각기 기여를 했습니다.

바로 '물질은 무엇으로
이루어져 있는가?'죠.

만물이 빈 공간으로 둘러싸인
작은 입자로 이루어져 있다고

데모크리투스가 최초로 생각했던 때가

기원전 440년 이었습니다.

그는 또한 그 입자가
구성하는 물질이 무엇이냐에 따라

구성 입자의 크기와 모양이
각기 다를 거라고 생각했습니다.

그는 이 입자를 아토모스라고 불렀는데
이는 개체라는 뜻의 그리스어 입니다.

당시 더 유명했던 사상가들은
그의 이런 생각에 반대했어요.

예를 들어 아리스토텔레스는
이 이론에 철저히 반대하면서

만물은 다음의 네가지 요소로
구성된다고 말했습니다.

흙, 바람, 물, 그리고 불로 말이죠.

대부분의 후대 과학자들이
이런 생각을 받아들이면서

이후 원자는 한동안
완전히 잊혀지고 맙니다.

1808년 퀘이커교 교사인 존 돌턴이
아리스토텔레스에 도전할 때 까지요.

데모크리투스의 원자론은
순전히 이론적이었던 반면

돌턴은 일상적인 물질이
일정한 비율을 지닌 동일한 원소로

늘 나누어질 수 있다는
사실을 보여주었습니다.

그의 주장에 따르면 다양한 복합물은

제각기 다른 원자들의 조합으로서

각 원자는 크기와 질량이 제각기 다르고

만들어 질수도, 파괴될 수도 없습니다.

이 연구로 그는 많은 상을 받았지만

퀘이커교도였던 그는 평생을
겸손하게 살았습니다.

원자론은 이제 과학계에서
인정을 받게 되었지만

이 이론이 또 한번 크게 발전하게 된건

이로부터 거의 100년이 지난

1897년 물리학자 J.J. 톰슨이
전자를 발견했을 때입니다.

그는 '쵸코렛칩쿠키 모델'이라 불리는
원자 모델을 제시하며

양성자가 균일하게 분포된 구형내에
음전하를 띈 전자가 채워진 상태로

원자가 존재한다고 생각했습니다.

톰슨은 전자를 발견한 공로로
1906년 노밸상을 받았지만

그의 원자 모델은 오래
인정되지는 못했습니다.

이는 그의 꽤나 똑똑한
제자들 때문이었는데

그중 하나가 어니스트 러더포드로

훗날 그는 핵시대의 창시자로
알려지게 되죠.

기체에 X선이 끼치는 영향을
연구하던 중 그는

원자에 대해 보다 자세히
연구해 보기로 결심하고

양전하를 띈 작은 알파 입자를
금박지 위에 쏴보기로 합니다.

톰슨의 모델이 맞다면

원자 내에 얇게 퍼져있는 양전하로는

알파 입자를 반사시키기에
역부족일 것이므로

결과적으로 테니스 볼을
무더기로 쏠 때처럼

얇은 종이막을 뚫고 지나가야 했죠.

대부분의 입자는 예측대로 관통했지만

일부가 튕겨나오는 걸로 보아

원자는 코가 큰 두꺼운 그물과
더 비슷할 거라 제안하게 되었습니다.

러더포드가 얻게 된 결론은
원자의 내부공간은 대부분 비어 있고

소수의 전자가 흩어져있는 반면

대부분의 질량이 중심 부분에
모여있다는 것으로

이 부분을 그는 핵이라고 불렀습니다.

대부분의 알파 입자는
공간 사이를 관통했으나

조밀한 상태로 양전하를 띈
핵으로부터는 튕겨져 나왔죠.

그러나 이러한 원자론 역시
여전히 미완의 상태였습니다.

1913년 톰슨의 또 다른 제자인
닐스 보어가

러더포드의 원자 모델을
개량하게 됩니다.

막스 플랑크와 아인슈타인의
연구에 기초해서

그는 전자가 핵 주위를 일정한
에너지 준위, 즉 거리만큼 떨어져서

공전하고 있으며

한 준위서 타 준위로 이동 가능 하지만
사이에는 존재할 수 없다고 생각합니다.

보어의 이런 행성 모델은
과학계의 중심을 차지하지만

이 이론 역시 곧 복잡한
문제에 부딪치게 됩니다.

계속된 실험을 통해 전자가
분절된 입자의 성질 뿐 아니라

연속적인 파동으로서의 성질을
동시에 띄고 있기 때문에

공간내의 특정한 지점에 집중되지
않는다는 사실이 밝혀지게 됩니다.

잘 알려진 불확정성의 원리를
정립하는 동안

베르너 하이젠베르크는
전자가 원자 주위를 돌고 있을 때

그 정확한 위치와 속도를 동시에
측정하는 건 불가능하다는 사실을

증명했습니다.

전자의 위치를 정확하게
예측하는 건 불가능하고

다만 가능한 위치의 범위만을
예측할 수 있는다는 발견은

원자에 관한 현재의 양자모델을
탄생시켰는데

이는 매력적인 모델이면서도
하도 새롭고 복잡한 이야기라

그 내용을 아직도 완전하게
이해 못한 게 사실입니다.

원자에 관한 인류의 이해도는
계속 바뀌고 있지만

원자에 대한 근본적인 개념 만큼은
남아 있을 터이니

원자론을 둘러싼 이런 승리의 요소를

불꽃놀이로 축하해 봅시다.

원자 주위를 도는 전자가
에너지 준위를 바꿀 때에는

특정한 파장을 지닌 빛의 형태로
에너지를 흡수 하거나 방출 하는데

그 결과로 우리가 이런 멋진
색의 향연을 보게되는 거랍니다.

데모크리투스가 어디선가
이 장면을 보고 있다면

2천년 이상이 지난 지금에 이르러서야

자신의 예측이 옳았다고 밝혀진 것을
흡족하게 바라보고 있겠죠?