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[궁금한S] 세상을 이루는 물질의 근원은 무엇일까?

[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 <궁금한 S> 시간입니다. 세상은 무엇으로 만들어졌을까요? 이것은 최초의 철학적인 질문이었다고 하는데요. 그래서 만물의 기원을 찾기 위한 인류의 탐구는 기원전부터 계속되었다고 합니다. 수천 년 동안 이어져 온 질문의 역사와 그 해답은 무엇일까요? 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

[이효종 / 과학 유튜버]
안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 궁금한 S의 이효종입니다. 궁금한 S와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.

눈으로 보기에는 책은 종이로 되어있고, 종이는 나무로 만들어져 있다는 사실을, 우리는 금방 알 수 있지만, 이 나무를 계속해서 잘게 자르면, 과연 무엇이 남게 될까요? 오늘은 우리의 세상을 이루고 있는 물질이란 무엇이고, 이 물질에 관한 의문에서 탄생한 과학적 발견에 대해 <궁금한 s>와 함께 들여다보도록 하겠습니다.

물질의 근원에 관하여 가장 먼저 언급했다고 기록된 과학자는 기원전 600년 전의 과학자, 탈레스입니다. 그는 만물이 물로 이뤄져 있으며 물의 상태변화에 따라 모든 물질의 변화가 생성된다고 주장했습니다. 하지만 기원전 360년경의 학자 아리스토텔레스는 자연에는 원소라고 불리는, 물질을 구성하는 기본요소가 있다고 이야기했습니다. 그 요소는 '물', '불', '공기', '흙'의 4가지로 이뤄져 있다고 주장했죠.

한편 동시대에 활동했던 데모크리토스는 물질을 이루고 있는 작은 단위인 원자가 있으며, 이러한 원자가 결합했다가 떨어졌다가 하면서 모든 만물의 형태가 만들어진다고 주장했습니다.

이후 과학은 여러 영역으로부터 눈부신 발전을 이룩하게 되었고, 이러한 흐름은 연금술로부터 이어진 화학이라는 학문도 예외는 아니었습니다. 물질의 반응 특성, 반응비, 그리고 생성물 등을 연구하던 당시의 수많은 이론을 들여다보던 영국의 물리학자 돌턴은 물질은 생성되거나 소멸하지 않고 단지 형태가 바뀔 뿐이라는 '질량 보존의 법칙'과 어떠한 화합물을 구성하는 원소들의 질량의 비는 항상 일정하다는 법칙인 '일정 성분비의 법칙'을 설명하기 위해, 하나의 가설을 만들어내게 됩니다. 가설의 내용은 간단했지만, 명쾌했죠. 모든 원소는 그 양이 변하지도, 파괴되지도 않는 어떤 특정한 작은 단위로 이뤄져 있으며, 그 작은 단위들이 복잡하게 결합해 물질들의 구조를 이룬다는 주장인, '원자설'이 바로 그 내용이었습니다. 이는 데모크리토스의 원자론과 그 아이디어가 상당히 흡사한 주장으로서, 근대 원자론의 시작이라는 의미가 있다고 할 수 있습니다.

이어 여러 물리학의 분야에서 물질에 관한 연구가 더욱 지속했고, 1897년 영국의 물리학자 j.j 톰슨은 크룩스 관이라고 부르는 실험기구에서 볼 수 있는 음극선을 통해 여러 실험을 수행하게 됩니다. 크룩스 관이란 동그란 유리 실린더 양쪽에 극판을 두어 강한 전압을 걸면 음극판에서 발생하는 알 수 없는 선을 관측할 수 있도록 만든 실험장치인데요, 이때 발생한 선을 음극선이라고 불러서 음극선관이라고 부르기도 합니다.

바로 이러한 음극선의 전자기적 특성을 통해 음극선의 '질량 측정'에 성공하게 된 톰슨은 음극선은 전자기파와 다른, 전하를 띠고 질량을 가진 입자들로 구성된 그 무언가로 생각하게 됩니다. 여기서 음극선을 구성하고 있는 전하가 바로 'electron, 전자' 라고 부르는 입자이죠. 톰슨은 이러한 '전자'가 만물의 기원인 원자로부터 비롯되어있다고 생각했습니다. '눈에 보이지 않는 작은 원자 안에 음전하를 띤 입자와 양전하를 띤 입자가 어떻게 존재할까?' 이에 대한 답을 위해 톰슨은 건포도가 푸딩 안에 들어있는 모습을 상상했고, 그런 형태의 원자 모형을 제안했습니다.

즉, 원자는 더는 쪼갤 수 없는 입자가 아니라는 사실이 밝혀지게 되었죠.

그로부터 20여 년이 지난 1919년, 톰슨의 제자인 어니스트 러더퍼드는 한 가지 실험을 구상하게 됩니다. 방사성 원소에서 나오는 알파 입자를 총알이라고 생각하고, 금박에 쏘는 실험이었죠. 이때 이 총알이 금 원자의 어디에 맞고 어떻게 퉁겨지는지를 보기 위해 금박 주변에 스크린을 설치해두었습니다. 그런데 여기서 아주 흥미로운 실험결과가 도출됩니다. 대부분의 총알 (알파입자)는 크게 굴절되지 않았지만, 몇 개는 아주 큰 각도로 꺾이거나 어떤 녀석은 반대 방향으로까지 퉁겨져 나오게 되었던 것입니다! 알파 입자의 질량은 전자의 7,000배에 달하기 때문에 알파 입자가 튕겨 나오는 일은 넓은 종이에 야구선수가 공을 던졌을 때 공이 종이 면에 튕겨져 나간 듯한 현상처럼 믿기지 않는 일이었습니다.

톰슨 모형에 따르면, 양전하는 원자 전체에 골고루 퍼져 분배되어 있으며 그에 해당하는 만큼의 전자가 콕콕 박혀있는 모습으로 존재하게 됩니다. 이렇게 되면 양전하가 아무리 많더라도 맹렬하게 원자를 향해 날아가는 알파입자의 운동량을 고려한다면, 약간 위아래로 휠 수는 있을지언정 뒤로 튕기는 일은 절대로 일어나서는 안 되는 일이었습니다. 그래서 등장한 아이디어가 러더퍼드 모형의 핵심 아이디어입니다.

러더퍼드는 톰슨 모형의 한계를 극복하기 위해 모든 전자의 전하량을 합친 만큼의 양성자가 알 수 없는 속박에 의해 한 점에 모여 있는 형태를 고안하게 되고, 바로 그 위치에 정확히 알파입자가 입사하게 된다면 양성자 점이 만드는 엄청난 반발력에 의해 이론상으로는 입자를 뒤로 튕겨낼 수 있는 일이 가능해지게 되는데요.

이를 양성자가 한 점에 모여 하나의 핵을 구성한다는 러더퍼드의 '원자핵 모형'이라고 부르며 이 실험을 계기로 원자핵이라는 개념이 처음으로 등장하게 됩니다.

이 모형에서 원자핵은 한 점에 모여있고, 주변부를 원자핵의 전하량과 일치하는 양의 전자가 궤도운동을 하는 그런 형태를 지니게 됩니다.

하지만 이 모형은 커다란 약점을 가지고 있었습니다. 원자핵 주위를 전자가 빙빙 돌게 될 경우 전자는 필연적으로 전자기파가 발생하는데요. 이 전자기파에 의해 결국 전자는 에너지가 점차 소멸해 에너지를 잃은 전자가 핵으로 빠져 들어가 충돌하게 될 거라는 문제가, 바로 그것이었죠.

그러나 곧 이 문제는, 닐스 보어에 이어 막스 보른에 이르러 정립된 새로운 원자 모형과 함께, 양자역학이라는 학문에 의해 멋지게 해결되게 됩니다.

오늘은 물질을 이루고 있는 근원에 관한 궁금증을, 저와 함께 하나하나 따라가 보았습니다. 입자의 세계란, 정말 들여다보면 들여다볼수록 매력적인 세계가 아닐 수 없는 것 같네요!

그럼 <궁금한 S>도 이만 인사드릴게요~ 과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 사이언스 투데이 페이스북에 댓글을 남겨주세요. 이상 <궁금한 S>였습니다!
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