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양자역학의 아버지, 닐스보어


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1935년 닐스 보어 Public domain(Wikimedia commons)


신혼여행지에서도 논문 썼던 과학자 닐스 보어 - 양자역학의 아버지

 

오늘날 우리가사용하는 전자제품의 핵심부품인 반도체 칩의발견은 원자이하의 아주작은 세계를연구하는 양자역학이 등장했기 때문에 가능했습니다. 양자역학이 없는 현대 물리학을 상상하기는 너무 어렵습니다. 이러한 양자역학의 세계를 개척한 사람으로덴마크 물리학자닐스 보어(1885~1962) 있습니다.

 

우리는 양자역학을 통해 화학결합을 훨씬폭넓게 설명하게되었고, 우주의 기원에대해 깊은 이해를하게 되었습니다. 보어는 어떻게 양자역학으로 학문을 넓히게 것일까요?

 



이론이 안정하지 않던 원자의 안정성


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닐스 보어 Public domain(Wikimedia commons)



1911 보어는 덴마크 코펜하겐대학교에서 금속 전자이론을 확대해 연구해 박사학위를 받습니다. 과정에서 보어는맥스웰 방정식으로 대표되는 고전 전자기학만으로는 금속 전자의움직임을 충분히설명할 없다는 느낌을받았습니다. 이듬해 보어는전자의 발견자인조지프 톰슨(1856~1940) 함께연구하기 위해박사연구생 자격으로영국 케임브리지대학교로 갑니다.

 

케임브리지대학교의 캐번디시연구소 소장이던톰슨은 보어를친절하게 대했지만보어의 서툰영어로 인해소통에 어려움을겪습니다. 보어는 자신의생각을 명확하게표현하지 못했으며, 아주 작은 목소리로이야기했기 때문에그와 대화하려면 많은 주의가 필요했습니다. 보어는톰슨과 연구하는데 어려움이 따를 수밖에없었습니다. 그래서 보어는영국 맨체스터에 있는 어니스트 러더퍼드(1871~1937)에게 갔습니다.


당시 러더퍼드의 연구실에선 알파입자를 금박지에충돌시키는 실험을통해 원자의질량 대부분이원자핵에 몰려있다는 것을 알아내고 원자핵주위를 전자들이돌고 있다는원자모형을 제안했습니다. 그러나러더퍼드의 원자모형은 안정한 상태의 원자를설명할 없었습니다.

 

고전 전자기학이론에 따르면원자핵 주위를돌고 있는전자는 전자기파를 방출하고 점점 에너지를잃어 원자핵을향해 나선운동을 하다가원자핵과 충돌해야했습니다. 고전이론과 러더퍼드의 원자모형에 따르면 원자는아주 불안정한상태로 밖에설명되지 않습니다. 그러나 자연계에서 원자는매우 안정된상태로 존재합니다. 그럴까요? 보어는 바로 이유를밝히고 싶어졌습니다




전자가 궤도 바꿀 빛을 방출한다


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닐스 보어(오른쪽)와 마르그레테 뇌를룬(왼쪽) Public domain(Wikimedia commons)



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보어의 원자모형 by JabberWok CC-BY-SA-3.0(Wikimedia commons) 


1913 보어는 문제를해결하기 위해러더퍼드의 원자모형에 플랑크의 양자이론을 적용했습니다. 고전역학과 달리 양자역학은 본질적으로 확실성이 아닌 확률론입니다. 에너지를비롯한 물리량이연속적인 양으로존재하거나 주고받는것이 아니라특정한 양의정수배로만 존재하고주고받을 있다고 것입니다. 또한 보어는알버트 아인슈타인(1879~1955) 제안한 빛의양자와 원자안에서 원자핵을돌고 있는전자의 에너지사이에 어떤관계가 있지않을까 하는생각을 하게되었습니다.

 

보어는 1912 8 마르그레테 뇌를룬과 결혼했습니다. 노르웨이로 신혼여행에서도 보어는알파입자의 흡수이론에 대한 논문을 썼습니다. 보어가 내용을 불러주면 마르그레테가 깔끔한 글씨로 초고를쓰면서 보어의부족한 영어를채워주었습니다. 이런 방식은 후에도계속 되었고, 마르그레테는 평생 보어의공식적인 비서역할을 수행합니다.

 

보어는 새로운원자모형을 상상하면서 원자의 안정성, 원자가 내는스펙트럼, 그리고 주기율표에 나타난 원자의 주기적성질을 설명할 있는원자모형을 만들고자했습니다. 1913 보어는 우연히발머계열에 관한식을 알게됐습니다. 그리고 이것을바탕으로 원자내의 전자들이양자화된 특별한에너지를 가진궤도만을 허용한다는 자신의 원자모형을 도출합니다.

 

1913 7월부터 11월까지 보어는20세기 과학사에서 매우 중요한 논문3편을 잇따라발표했습니다. 번째논문은 수소원자에 대한것이었고, 나머지 논문은 수소보다 무거운원자의 구조에관한 것이었습니다. 보어는양자의 방출은 궤도에서다른 궤도로옮겨가는 전자의도약과 일치한다며수소원자가 빛을방출하는 이유는전자가 궤도를바꿀 빛을 방출한다고 결론지었습니다.

 

보어가 제안한원자모형은 모든원소의 원자구조를 새롭게 이용하는데 활용됐습니다. 보어의원자모형은 뒤에1 양자혁명으로불렸습니다. 1차라는 말은보어의 원자모형이 아직 완전하지 않았다는얘기입니다. 당시 좀머펠트, 막스 보른 같은과학자들은 보어의원자모형에 대해회의를 갖기도했습니다. 이러한 반발은당시 1 세계대전의 발발로크게 확산되지는 않았습니다.

 

보어는 전쟁기간동안 자신의원자모형을 꾸준히보완해 나갔습니다. 그리고 1925년까지 문제점을 스스로앞장서 해결하는이른바 2 양자혁명 주도합니다. 처음 보어가 제안한원자모형은 전자들이2차원 궤도위에서 원자핵을도는 것이었습니다. 그러나보어는 원자모형의 한계를인정하고 3차원적인 전자배치를 지닌 새로운 원자모형을 발전시켰습니다. 그는 공로를인정받아 1922 노벨물리학상을 수상합니다.

 



암모형 아저씨 불리운 사나이


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1931년 핵물리학총회에 참석한 닐스 보어(아래 오른쪽에서 네 번째) Public domain(Wikimedia commons)

1930년께 보어는핵물리학으로 연구영역을 넓힙니다. 1934년에는 물방울 비유한원자핵 모형을내놓았습니다. 그가 1936 제시한원자핵 이론은 10 동안 핵물리학자들에게 일반적인 지침이 되었습니다.

 

1940 2 세계대전이 일어나고독일은 덴마크를침공합니다. 이어 유태인이던 보어도 투옥될것이란 소문이확실해지자 가족과함께 텐마크를탈출해 스웨덴으로 갔습니다. 이어 영국으로 건너가원자폭탄을 제작하는맨해튼 프로젝트에 참여합니다. 개월 보어는 영국연구팀과 미국에서원자폭탄을 연구하고있던 로스앨라모스에 합류했고, 암호명 아저씨 활약했습니다.

 

1944 보어는영국 처칠수상과 미국루스벨트 대통령을만나 원자력의국제 관리를제안했습니다. 이어 소련과정보를 공유함으로써 핵무기 경쟁을 미리막자고 설득했습니다. 하지만 지도자는보어의 제안을거절했고 미국과소련은 무서운 전쟁무기의 개발경쟁에 돌입했습니다.

 

보어는 원자력의평화적 이용과원자폭탄으로 인해발생하는 정치적문제와 관련국제연합(UN) 공개장을보냈습니다. 이런 활동으로그는 1957 1 원자력 평화상을수상했습니다. 만년에도 그는분자생물학 새로운 학문에관심의 폭을넓혔으나 1962 77살의 나이로덴마크 코펜하겐에서 숨을 거뒀습니다






참고문헌

청소년을 위한 서양과학사, 2004, 손영운 지음, 두리미디어 펴냄, 288~295p.

http://www.kps.or.kr/141018

http://dl.dongascience.com/magazine/view/S199903N024

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