주승환의 원자력 세상(12): 처음 원자모습 < 울진게시판 < 게시판

원자A12f.hwp 2004/10/20

<<주승환의 원자력 세상 보기(12): 처음 원자모습>>

―〈과학자들은 원자를 갈망〉―
20세기를 10여 연 앞둔 시점까지도 인류는 원자의 생긴 모습을 그려낼 수 없었다. 과학자들은 원자를 손에 잡고 실험할 수 있기를 갈망하고 있었지만, 그 때까지도 원자의 모습은 머릿속에 막연히 그려보는 관념의 틀을 벗어나지 못한 한 모양새로 남아있었다.

화학자들은 오래전부터 수소, 산소, 질소와 같은 원소들을 서로 결합시켜 화학적 변화를 일으킬 수 있었다. 그런 변화를 통해 다른 새로운 물질들을 만들 수도 있었다. 기원전부터 인류는 연금술을 알고 있었다. 연금술이 발전되면서 화학이란 분야가 자리 잡혔으므로 인류는 화학을 통해서 이미 오래전부터 물질세계를 다룰 줄 알게 됐다. 하지만, 화학자들은 왜 원소들 자신들을 화학적으로 더 이상 쪼갤 수 없는가의 의문을 설명할 길은 없었다.

이런 점으로 미뤄보면, 원자의 구체적인 모습은 모르긴 해도 단순히 하나의 편의로 도입된 개념이라고 봐야 옳다. 좀더 역사적인 기록을 살펴보자.

영국의 로버트 세실(Robert Cecil) 경은 정치가이면서 과학자였다. 한때, 영국의 수상 직에 오른 적도 있었던 그가 옥스퍼드 대학교 총장이던, 1894년 영국왕립학회 연례회의에서 그동안 알려져 오던 원자에 관한 얘기들을 정리하고 있다,

― “과학의 미완성 업무를 분류할 때, 원자는 실존하는지 또는 다만 편리한 개념인지 그리고 구조가 어떻게 생겼는지 하는 것들은 아직 결정되지 않았다.”―

이듬해, 헝가리 출신이고 독일 빌헬름 연구소에 근무하던 화학자 미카엘 폴라니(Michael Polanyi)는 “과학 공화국 모델”에서:
― “1895년, 스스로 물리학자라고 부르는 전 세계 1000여 명의 남녀들로 구성된 네트워크, 그리고 그보다 더 많은 화학자들의 네트워크를 확신시킬만한 원자는 발견하지 못했다” (『문신행, 원자탄 만들기』,1-43쪽) ―

―〈원자의 시대를 연 도구들〉―
19세기 초기는 기초과학이 자리를 잡기 시작할 무렵이었다. 그 때의 위대한 발견들은 화학이 주도했다. 하지만 20세기에 접어들면서 위대한 발견들은 물리학이 주도한다. 물리학은 이론 물리학과 실험 물리학으로 나눠져 발전했다. 지난 20세기는 원자의 시대였다.

독일의 빌헬름 뢴트겐(Wilhelm Roentgen)은 1895년 X-선을 발견하면서 실험 물리학과 더불어 새로운 원자의 시대를 열게 된다. 다음해인 1896년 파리 대학의 앙리 베크렐(Henri Becquerel)은 우라늄 광물에서 방사선을 발견했고, 뒤를 이어 마리 퀴리(Marie Curie)는 우라늄 광물에서 새로운 방사성 원소인 라듐을 분리했다. 그리고 1897년 영국 케임브리지 대학의 J. J. 톰슨은 전기 방전관(지금의 TV 브라운관)의 음극에서 나오는 빛을 “음극선”이라 이름 짓고 그 선들은 단순한 빛이 아닌 마이너스 성질을 갖는 알갱이들(입자)이임을 확인했다. 이것이 지금의 전자이다. 연이어진 발견들은 모두가 원자의 시대를 열 도구로 활용됐다.

19세기의 마지막 5 년 동안에 이어진 위대한 발견들은 이전의 물리학을 완전히 뒤엎어 버렸다. 원자의 모습은 서서히 볏겨지기 시작한다. 톰슨이 발견한 전자는 원자의 한 요소임도 알게 됐고, 원자를 이룬 마이너스 성질인 전자가 있다면, 플러스인 다른 원자의 요소도 있을 것임을 예견하고 있었다. 그게 바로 원자의 중심이 될 ‘원자핵’이다. 이를 다시 줄이면 ‘핵’이 된다.

“반핵” 단체란 ‘원자핵’을 반대한다는 뜻도 된다. 원자를 이룬 요소들 중에서 반쪽만을 반대한다는 주장으로도 해석될 수 있을 것이다. 아직도 현대 과학기술은 원자핵과 전자들을 사람 마음대로 따로 떼어놓고 연구할 수 없다. 찰나의 순간에만 서로 분리된다. 그런 경우는 원자핵이 쪼게 질 순간일 것이다. 핵폭탄이나 양성자 가속기의 가속된 전자기장 속에서나 가능한 일이다.

원자핵은 뉴질랜드 출신인 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)가 후에 발견해 낸다. 전자를 발견했던, 톰슨의 연구실인 케임브리지 대학의 캐번디시 연구소에서 그의 조수로 입문하면서 나중에 위대한 업적을 낸다. 네티즌들과 함께 원자의 실제 모습을 알아보기에 앞서, 상상만 해오면서 원자를 묘사했던 역사적인 기록들은 어떠했는지 살펴보자.

―〈원자를 묘사했던 얘기들〉―
― 기원전 5세기 그리스 철학자 데모크리토스가 밝혔다고 전하는 원자의 모양은 “색깔이 존재하고 쓰고 달지만 실제로는 빈 공간“이라고 했다. 학자들은 물리학 이론을 발전시킬 때마다 필요할 경우, 원자의 모델을 임의로 추정하여 사용해 왔다. 그러면서도 한편으로는 실제로 원자가 있는지? 그리고 있다면, 어떤 종류일지 계속 토론의 주제가 됐었다.

― 아이작 뉴턴(Isaac Newton)은 1704년에 ―
“태초에 신은 물질을 크기와 모양을 갖는 딱딱하고 질량이 있고 뚫고 들어갈 수 없고 움직일 수 있는 덩어리들로 만들어 여러 가지 성질을 갖게 하고 공간에서 부피를 차지하며 당신이 만든 대로 남아있게 했다.”

― 스코틀랜드 물리학자 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)은 1873년에―
“태양과 행성들을 이루고 있는 원자 - 물질 우주의 초석- 는 깨지거나 닳지 않은 채 남는다. 이들은 창조됐던 대로 완전무결한 수효, 크기 그리고 중량으로 오늘까지 계속 남아있다.”

1895년 11월에 러더퍼드가 뉴질랜드에서 영국 케임브리지에 도차한지 1개월 후, 뢴트겐이 음극관의 형광물질을 바른 곳에서 X-선을 발견했다. 여기에 자극받은 톰슨은 음극선의 실험을 하다가 “음입자”를 발견한다. 위대한 발견도 알고 보면 우연의 산물일 경우가 많다.

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