[시리즈 연재] 2.5 양자호텔 긴급 A/S 1편

안녕하세요? 오랜만에 시리즈로 돌아왔습니다.

혹시나 처음 혹은 기억이 나지 않는 분들을 위해 간단히 복습하고 넘어가도록 하겠습니다.

놀랍게도 눈에서 일어나는 여러 화학반응 중 가장 빠른 반응은 약 200 펨토초만에 일어납니다.

라는 문장으로 시작했습니다. 그리고 1967년 노벨 화학상, "매우 짧은 에너지 펄스를 가해 평형을 순간적으로 교란하고, 그 결과 나타나는 초고속 화학 반응을 연구한 공로"에 대해 총 5편에 걸쳐서 다뤘습니다.

1-1편에서는 화학에 대한 아주 기본적인 설명부터 시작해서 화학 반응 그리고 반응 속도와 평형에 대해서 다뤘습니다. 그 과정에서 곁다리로 1901년 노벨 화학상도 살짝 다뤘습니다. 여기서 제시한 목적은

빠른 반응 속도를 이야기하는데 왜 ‘빛’이 필요하지?

에 대한 의문을 해소하는 것입니다.

1-2편에서는 반응을 위해 "단순히 물질들을 충분히 빠르게 섞을 수 없다는 이유"에 대해 설명하고 동시에 변화도 '빠르게 측정'이 필요하며 여기에 '빛'이 아주 좋은 도구라는 것을 소개드렸습니다.

1-3편에서는 섞는 대신 이미 충분히 섞여 있는 상태에서 '평형'을 깨드려서 반응 속도를 측정한 아이겐의 업적에 대해 설명드렸습니다.

1-4편에서는 빠른 변화를 어떻게 '측정'할 것인지 설명하기 위해 아주 살짝 양자역학에 대해 소개를 해드렸습니다.

1-5편에서는 반응 시작과 변화의 측정 모두 '빛'으로 한 두 과학자의 업적을 소개해 드렸습니다.

그렇게 1회차를 끝내고 나서 핵심은 '빠른 찰나의 빛'을 만드는 것이고 이를 위해 '레이저'에 대해 이해할 필요가 있다고 말씀 드렸습니다.

그 첫 단추로 레이저의 시동거는 역할을 했던 1966년 노벨 물리학상을 2편에서 다뤘습니다.

그런데... 꽤 많은 분들이 어려워 하셔서 이에 대하 반성하고 보충하는 글을 올리려고 합니다.

저는 <양자 호텔>이라는 비유를 이용해서 원자에서 전자 전이를 설명하고 있었습니다. 이 호텔은 한 사람의 작품은 절대 아니지만 그래도 가장 결정적인 역할을 한 사람을 꼽으라면 바로,

<노벨상 공식 홈페이지>

바로 닐슨 보어입니다. 보어는 1922년 "원자의 구조와 그로부터 방출되는 복사선(방사선)을 연구한 공로"로 노벨 물리학상을 수상했습니다.

시간에 따라 변화를 보는 것이 아니라 물질의 빛 흡수와 방출은 꽤 오래전부터 연구하던 분야였습니다. 저번에 말씀드린대로 물질에 특성을 통해서 이것이 어떤 물질인지 아는 것은 화학에서 매우 중요한 작업이었고 그 중 하나가 빛의 흡수와 방출입니다.

키르히호프(Kirchhoff)와 분젠(Bunsen)이 1860년 분광 분석법을 도입한 이래, 이 지극히 중요한 연구 도구는 훌륭한 결과들을 낳았습니다. 초기에는 지상의 물체뿐만 아니라 천체로부터 물질을 수집하고 그 스펙트럼을 조사했습니다. 이는 실로 놀라운 수확이었습니다. - Nobel Prize in physics 1922 Award ceremony speech

과학자들은 분명히 그런 빛의 '흡수' 그리고 '방출'에 규칙이 있을 것이라고 생각했고 자연을 이해하는데 핵심 원리가 있을 것이라 생각했습니다. 그래서 가장 단순한 '수소 원자'에 대해 규칙을 찾고 이해하려고 시도했으며 이를 설명할 수 있는 '원자 모델'을 만들려고 오랜 시간에 걸쳐 노력했습니다.

만약 원자의 구조에 대한 아이디어를 얻을 수 있다면, 이는 당연히 수소 원자가 방출할 수 있는 빛의 진동에 대한 개념을 정립하는 좋은 출발점이 될 것이었습니다. 원자로부터 그 비밀을 놀라운 정도로 밝혀낸 러더퍼드(Rutherford)는 그러한 "원자 모형"을 구축했습니다. 그의 구상에 따르면, 수소 원자는 극히 작은 크기의 단위 전하를 띤 양전하 핵(nucleus)과, 그 주위를 궤도를 그리며 도는 음전하를 띤 전자로 구성되어야 했습니다.- Nobel Prize in physics 1922 Award ceremony speech

참고로 러더퍼드 역시 1908년 노벨 다른 업적으로 화학상을 받은 인물인데, 노벨상 업적만큼 유명한 실험은 알파입자 산란 실험입니다.

당시에는 원자가 어떻게 구성되어 있는지 정확히 알지 못할 때였습니다. 지배적인 이론은 '푸딩 원자 모형'인데 원자의 + 전하가 고르게 퍼져 있고 - 전하를 갖는 전자가 박혀있는 모습입니다.

러더퍼드는 얇은 금 호일에다가 알파입자(헬륨 원자핵)을 충돌시켰습니다. 실제로 저렇게 생겼다면 전기력 때문에 약간 휘어질 것이라 예측하였으나 실제로는 대부분 그대로 통과했고 일부는 크게 휘어지거나 오히려 뒤쪽으로 튕겨나가기도 했습니다.

당시 러더퍼드는,

15인치 포탄을 휴지 조각에 쏘았는데, 그것이 되튕겨 나와 당신을 맞춘 것만큼이나 믿기 어려운 일이었다.

라고 말할 정도였습니다.

이 실험 결과를 해석하기 위해서 원자는 내부가 대부분 비어 있고 중심에 양전하와 질량이 집중되어 있다고 제안했고 전자는 그 주위를 도는 행성 모형을 제안했습니다. 다만, 그게 고전 전자기학으로는 설명하기 어려운 부분이 있어서 잘 받아들여지 않았습니다.

핵과 전자 사이에는 아마도 전기력만이 작용하고, 이 전기력은 두 질량 사이의 중력과 같은 법칙을 따르므로, 전자의 경로는 타원형이거나 원형이어야 하며, 핵은 타원의 초점 중 하나 혹은 원의 중심에 위치해야 합니다. 핵은 태양에, 전자는 행성에 비유될 수 있을 것입니다.

그러나 맥스웰(Maxwell)의 고전 이론에 따르면, 이러한 궤도 운동은 광선을 방출해야 하고, 그 결과 에너지를 ...