[아누이야기] 3. 원자구조의 비밀 > 20세기의 원자모델, 쿼크의 발견 > 오컬트화학

20세기의 원자모델 


그럼, 현대과학에서 이야기하는 원자의 모델과 오컬트화학의 원자모델이 어떻게 다른지 비교를 해보고 과연 공통점은 없는 것인지 생각해보겠습니다. 먼저 지금은 퇴물이 된 돌턴의 원자론부터 살펴보겠는데, 이렇게 하는 이유는 원자모델이라는 것이 확정되어 있는 것이 아니라 과학의 발전에 따라 계속 변해왔으며, 또 오컬트화학이 백 년 전에 발표되었으므로 오컬트화학과 비교해가면서 어떻게 그 유사성이나 차이점이 달라지게 되었는지 알아보기 위한 것입니다. 

사실 19세기에는 원자에 대한 여러 가지 논의가 있었습니다. 톰슨은 소용돌이 원자론을 주창했으며, 많은 과학자들이 물리적인 원자와 화학적인 원자의 개념을 구분했습니다. 또 원자가 붕괴되지 않는다는 확고한 신념도 없었으며, 대체로 에테르의 존재를 받아들이는 분위기였습니다. 그러나 돌턴의 원자론이 굳어지면서 궁극적인 물리적 원자와 이들의 조합으로 이루어진 화학적인 원자 사이의 구별이 없어지고 이후 20세기 원자론 전개의 기반이 되었으며, 에테르 이론 역시 상대성 이론의 등장과 함께 20세기초 자취를 감추었습니다. 

돌턴의 원자론에서 원자는 단단하고 더 이상 쪼개지지 않으며, 화학 원소의 가장 작은 알갱이로서 원소에 따라 각기 정해진 특정한 화학적 성질을 가지고 있습니다. 따라서 자연계에는 서로 다른 수 십 개의 원자가 존재하는 셈입니다. 이런 포켓볼의 당구공 같은 원자모형이 바뀌게 된 것은 1897년에 톰슨이 전자를 발견했을 때입니다. 이제 원자는 푸딩이나 젤리 속에 마이너스 전하의 알갱이가 박힌, 간단하나마 어떤 내부구조를 가지고 있는 형태의 모형으로 바뀌었습니다. 

사실 돌턴의 원자모형이 정설로 받아들여지던 시절에 원자가 내부구조를 가지고 있다는 발견은 커다란 충격이었습니다. 톰슨이 전자를 발견하기 1～2년 전에 X선과 방사능 현상이 발견되었을 때도 과학자들은 어쩔 줄 몰라 했는데, 방사능 현상이 존재한다는 것은 원자가 내부구조를 가지고 있거나 붕괴될 수 있다는 것을 의미하기 때문이었습니다. 푸딩을 닮은 톰슨의 이 원자모형은 러더퍼드가 원자핵을 발견함으로써 조금 더 복잡해집니다. 이제 원자의 중심에는 플러스 전하를 가진 작은 원자핵이 자리하고 있으며, 그 주변에 마이너스 전하가 분포해 있는 것으로 여겨졌습니다. 러더퍼드는 1911년에 이것을 가다듬어 원자핵이 존재하고 핵 주위를 전자가 돌고 있는 원자모형을 내놓았습니다. 

그리고 1913년에는 닐스 보어가 러더퍼드의 원자모형을 수정하는데, 전자는 아무렇게나 원자핵 주위를 돌고 있는 것이 아니라 어떤 조건을 만족시키는 반경을 가진 특정 궤도상에만 있을 수 있다는 것입니다. 

한편, 1919년과 1932년에는 양성자와 중성자가 차례로 발견됨으로써 원자핵 역시 하부구조를 가지고 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 전체적으로 현재의 원자모형은 핵자들의 집합으로 이루어진 원자핵과, 보어의 특정한 궤도상에 양자역학적 확률분포에 따라 확률적으로 존재하는 전자구름의 띠로 형성되어 있습니다.