보어 원자 모형 의 탄생 1913 ( 1 / 3 ) – 녹색 아카데미 
 보 어 원자 모형 의 탄생 1913 ( 1 / 3 ) 
 neomay 3 2019 년 7 월 23 일 1 
 * 양자 역학 의 창시자 중 한 사람 으로 더 많이 알려진 닐스 보어 는 ‘ 보어 모형 ’ 이 라 불리 는 원자 모형 을 만들 었 다 . 보 어 모형 에서 전자 는 원자핵 을 중심 으로 회전 을 하 는데 이 전자 들 의 궤도 반지름 은 특정 한 값 만 가질 수 있 다 . 보어 는 1913 년 7 월 , 9 월 그리고 11 월 세 차례 에 걸쳐 긴 논문 을 발표 ( ‘ 위대 한 3 부작 ’) 했 다 . 여기 에 는 새로운 원자 모형 개념 뿐 만 아니 라 평생 에 걸쳐 탐구 하 게 될 보어 의 “ 물질 세계 에 대한 자연 철학 ” 이 담겨 있 다 . 다음 글 은 보어 의 원자 모형 이 탄생 하 게 된 과학사 적 과정 에 대한 것 으로 , 세 번 에 걸쳐 소개 한다 . 
 ( 1 ) 덴마크 의 과학자 닐스 보어 , 러더퍼드 를 만나 다 ( 7 / 23 ) 
 ( 2 ) 코펜하겐 으로 돌아간 보어 , 자신 의 원자 모형 을 만들 다 ( 7 / 30 ) 
 ( 3 ) 1913 ‘ 위대 한 3 부작 ’ ( 8 / 6 ) 
 김재영 ( 녹색 아카데미 ) 
 덴마크 의 과학자 닐스 보어 , 러더퍼드 를 만나 다 
 1913 년 7 월 , 널리 알려진 학술지 인 < 철학 회보 > ( Philosophical Magazine ) 에 20 세기 과학 의 역사 에서 가장 중요 한 논문 중 하나 가 실렸 다 . “ 원자 들 과 분자 들 의 구성 에 관하 여 ” 라는 제목 의 이 논문 의 저자 는 덴마크 코펜하겐 의 닐스 보어 ( Niels Bohr , 1885 - 1962 ) 였 다 . 9 월 에 실린 2 부 “ 원자핵 이 하나 인 계 ” ( 27 쪽 ) 와 11 월 에 실린 3 부 “ 원자핵 이 여러 개 인 계 ” 를 합하 면 71 쪽 분량 의 이례 적 으로 긴 논문 이 었 다 . ( 그림 1 ) 
 아인슈타인 은 이 논문 을 두 고 “ 보어 가 불 확실 하 고 모순 적 인 토대 위 에서 독보 적 인 본능 과 민감 성 으로 빛띠 들 의 법칙 과 원자 의 전자껍질 의 법칙 을 발견 하 고 그것 이 화학 에서 갖 는 의미 를 밝혀낸 것 은 나 에게 기적 으로 여겨 졌으며 , 지금 도 여전히 기적 으로 보인다 . 이것 은 사유 의 영역 에서 최고 의 음악 성 이 다 . ” 라고 찬사 를 아끼 지 않 았 다 . 벨기에 의 물리학자 로젠펠드 ( Léon Rosenfeld , 1904 - 1974 ) 는 이 3 부 로 된 논문 을 ‘ 위대 한 3 부작 ’ 으로 불렀 다 . 
 미국 의 문화 연구자 아카디 플로트 니츠키 는 이 논문 이 코페르니쿠스 의 < 천구 의 회전 에 관하 여 > 나 다윈 의 < 종 의 기원 > 에 버금가 는 큰 의미 를 지닌다고 평가 한다 . 코페르니쿠스 가 지구 와 태양 의 위치 를 바꾸 고 다윈 이 인간 도 동물 과 연속선 에 있 음 을 밝힌 것 처럼 , 이 논문 은 원자 의 세계 에 대한 인식 론 적 도약 의 출발 이 되 었 기 때문 이 다 . 원자 의 모형 에 대한 체계 적 이 고 일반 적 인 이론 을 사실 상 처음 제시 한 것 이 고 , 10 여 년 뒤 에 양자 역학 이 라는 전혀 새로운 종류 의 물리학 이론 이 탄생 하 게 되 는 기반 을 마련 한 것 이 바로 이 논문 이 다 . 
 그림 1 . 보어 가 1913 년 에 발표 한 첫 번 째 논문 의 첫 페이지 ( 사진 : AAPT ) 
 이 글 은 보어 의 ‘ 3 부작 ’ 에 담긴 내용 을 상세 하 게 해설 하 지 않 는다 . 원자 의 태양계 모형 과 양자 화 조건 등 에 대한 이야기 는 널리 알려져 있 기 때문 이 다 . 대신 에 지금 으로부터 100 여 년 전 에 발표 된 이 논문 이 어떻 게 세상 에 나오 게 되 었 는가 를 역사 적 측면 에서 보여 주 고 , 보어 가 이 논문 을 쓰 기 위해 받 았 던 도움 들 ( 칼스버그 , 러더퍼드 , 마르그레테 , 니콜슨 , 한 센 , 헤베시 ) 을 상세히 살펴보 려고 한다 . 
 보어 는 1911 년 에 코펜하겐 대학 에서 “ 금속 의 전자 이론 ” 이 란 제목 의 학위 논문 을 쓰 고 물리학 박사 학위 를 받 았 다 . 보어 는 전자 가 모든 원자 에 들 어 있 는 보편 적 인 미립자 임 을 밝힌 공로 로 1906 년 노벨 물리학상 을 받 은 톰슨 ( Joseph John Thomson , 1856 - 1940 ) 밑 에서 연구 를 계속 하 고 싶 어 했 다 . 그러나 이제 막 박사 학위 를 받 은 26 살 의 덴마크 청년 이 영국 으로 유학 을 가 는 것 은 그리 쉬운 일 이 아니 었 다 . 다행히 보어 는 칼스버그 재단 에서 외국 에서 더 공부 할 수 있 는 장학금 을 받 을 수 있 었 다 . 영국 까지 가 는 뱃삯 과 단기간 의 체제 비용 이 었 다 . 
 칼스버그 는 지금 도 잘 알려진 덴마크 에서 가장 유명 한 맥주 양조 회사 이 다 . 칼스버그 양조 회사 가 왜 젊 은 물리학 박사 에게 장학금 을 주 었 을까 ? 창립자 인 야콥 야콥센 은 과학 을 이용 하 여 맥주 양조 공정 을 체계 화 하 고 맥주 의 맛 을 보존 하 는 데 성공 했 고 , 아들 칼 야콥센 의 이름 을 따 서 ‘ 칼스버그 ’ 라는 양조 회사 를 설립 했 다 . 칼 야콥센 ( Carl Jacobsen , 1842 - 1914 ) 은 문화 와 예술 과 과학 에 큰 관심 을 갖 고 있 었 고 , 칼스버그 재단 을 만들 었 다 . 바로 이 칼스버그 재단 이 보어 가 케임브리지 에서 더 연구 를 할 수 있 도록 장학금 을 주 었 던 것 이 다 . 
 보어 와 칼스버그 의 인연 은 여기 에서 끝나 지 않 는다 . 1922 년 에 보어 가 노벨 물리학상 을 받 기 한 해 전 , 칼스버그 재단 은 보어 가 코펜하겐 에 이론 물리학 연구소 를 설립 할 수 있 도록 재정 적 지원 을 아끼 지 않 았 다 . 야콥 야콥센 은 아들 칼 이 세상 을 떠난 뒤 에 자신 의 저택 을 “ 과학 , 문학 , 예술 등 기타 의 이유 로 공동체 의 존경 을 받 을 자격 이 있 는 사람 ” 에게 ‘ 명예 의 저택 ’ 으로 제공 하 여 거주 할 수 있 도록 하 라는 유언 을 남겼 다 . 보어 는 1932 년 부터 마지막 순간 까지 이 ‘ 칼스버그 명예 의 저택 ’ 에서 30 년 동안 거주 했 다 . ( 그림 2 ) 
 그림 2 . ‘ 칼스버그 명예 의 저택 ’ 정원 의 보어 ( 사진 : 칼스버그 재단 ) 
 톰슨 은 영국 케임브리지 의 캐번디시 연구소 의 세 번 째 소장 이 었 다 . 캐번디시 연구소 는 29 명 의 노벨상 수상자 를 배출 할 만큼 과학사 에서 매우 중요 한 곳 이 다 . 그러나 캐번디시 연구소 로 간 보어 와 톰슨 의 관계 는 그리 좋 지 않 았 다 . 톰슨 은 매우 유명 한 물리학자 였 기 때문 에 그 에게 지도 를 받 으려는 사람 들 이 몰려들 고 있 었 고 , 연구소 의 운영 만 으로 도 너무나 바빴 기 때문 에 , 영어 도 익숙 하 지 않 은 덴마크 의 젊은이 에게 시간 을 충분히 내 줄 수 없 었 다 . 제임스 진즈 는 너무 내 성적 이 어서 보어 와 논쟁 하 려 하 지 않 았 고 , 조제프 라머 는 보어 가 문법 적 으로 완벽 한 영어 로 된 논문 을 인쇄 본 으로 가져오 기 전 까지 는 보어 를 만나 줄 생각 이 없 었 다 . 보어 에게 케임브리지 는 넘 기 힘든 벽 이 었 다 . 
 톰슨 이 보어 에게 마지막 으로 해 준 일 은 자신 의 제자 인 어니스트 러더퍼드 ( Ernest Rutherford , 1871 - 1937 ) 에게 소개 해 주 는 것 이 었 다 . 러더퍼드 는 뉴질랜드 출신 으로서 박사 학위 를 받 은 뒤 1895 년 에 “ 1851 연구 장학금 ” 으로 영국 에 오 게 된 촉망 받 는 물리학자 였 다 . 1851 년 런던 수정궁 에서 열린 박람회 는 예상 치 못한 대성공 을 거두 었 고 , 그 수익금 중 일부 가 대영 제국 식민지 의 청년 들 이 영국 에 3 년 동안 머물 면서 연구 를 할 수 있 게 해 주 는 장학금 의 기반 이 되 었 다 . 
 러더퍼드 는 캐번디시 연구소 에서 톰슨 의 지도 아래 연구 를 진행 하 면서 처음 우라늄 과 라듐 에서 보이 는 방사성 에 큰 관심 을 가졌 고 , 이 를 알파선 , 베타선 , 감마선 으로 분류 한 장본인 이 기 도 하 다 . 1907 년 부터 맨체스터 대학 에 자리 를 잡 은 러더퍼드 는 1909 년 한스 가이거 와 어니스트 마즈 덴 에게 우라늄 에서 나오 는 알파선 을 금박 에 쏘 는 실험 을 하 게 했 는데 , 아주 적 은 분량 이 지만 알파선 이 금박 에 맞 은 뒤 거의 되돌아오 는 것 이 있 었 다 . 그 전 에 톰슨 이 제안 한 원자 모형 은 마치 수박 의 붉 은 살 처럼 양전하 가 골고루 펴져 있 고 그 사이 에 전자 가 수박씨 처럼 여기저기 박혀 있 다는 것 이 었 는데 , 톰슨 의 원자 모형 으로 는 실험 결과 를 도무지 설명 할 수 없 었 다 . ( 그림 3 ) 
 그림 3 . 원자 모형 – 톰슨 vs 러더포드 ( 사진 : 위키 독 ) 
 가이거 - 마즈 덴 실험 ( 그림 4 , 5 ) 은 원자 의 질량 대부분 이 아주 작 은 영역 에 집중 되 어 있 다고 가정 해야 설명 할 수 있 었 다 . 러더퍼드 는 이 아주 작 은 부분 에 원자핵 이 라는 이름 을 붙였 다 . 알파선 이 양전하 를 띠 고 있 으므로 여기 에 강하 게 반발 하 려면 원자핵 도 양전하 를 띠 고 있 어야 한다 . 원자 자체 는 중성 이 므로 음전 하 는 원자핵 주변 에 흩어져 있 어야 하 는데 , 가장 쉽 게 생각 할 수 있 는 모형 은 태양계 를 닮 은 행성 모형 이 었 다 . 행성 들 이 태양 주변 을 돌 고 있 듯이 원자핵 주변 에 전자 들 이 회전 하 고 있 다는 것 이 다 . 
 그림 4 . 가이거 - 마즈 덴 실험 ( 사진 : 위키 독 ) 
 그림 5 . 가이거 - 마즈 덴 실험 장치 
 ( 사진 : 위키피디아 ) 
 그러나 러더퍼드 의 태양계 모형 ( 그림 6 ) 은 원자 의 안정 성 에 심각 한 문제 가 있 음 이 밝혀졌 다 . 전 자기 이론 에 따르 면 가속 되 거나 회전 하 는 전 하 는 복사선 을 내 면서 에너지 를 잃 게 되 어 있 다 . 원자핵 주위 에서 전자 가 고리 모양 을 그리 며 회전 하 고 있 다는 러더퍼드 의 원자 모형 은 아주 순식간 에 붕괴 해 버리 기 때문 에 도무지 성립 할 수 없 는 모형 이 었 다 . 1912 년 초 에 보어 가 러더퍼드 에게 편지 를 보냈 을 무렵 , 러더퍼드 는 이 문제 를 해결 하 려고 애쓰 고 있 었 다 . 
 그림 5 . 러더포드 의 태양계 원자 모델 ( 사진 : 위키 독 ) 
 다음 이야기 : ( 2 ) 코펜하겐 으로 돌아간 보어 , 자신 의 원자 모형 을 만들 다 ( 7 / 30 ) 
 하이젠베르크 와 그레테 헤르만 의 대화 
 보 어 원자 모형 의 탄생 1913 ( 2 / 3 ) 
 핑 백 : 보어 원자 모형 의 탄생 1913 ( 3 / 3 ) – 녹색 아카데미 Green Academy