방출 스펙트럼
17세기 뉴턴은 태양빛이 서로 모이면 백색광으로 될 수 있는 여러 색의 성분들로 구성된다는 사실을 확인한 이후 물질에 의해 방출된 복사선의 연속 또는 선 스펙트럼 형태인 방출 스펙트럼에 대한 특성 연구가 진행되었습니다. 시료에 열이나 에너지를 가하면 물질의 방출 스펙트럼을 볼 수 있는데, 예를 들어 쇠를 달구면 빨갛게 빛이 나는 것이 바로 육안으로 식별 가능한 방출 스펙트럼입니다. 고체의 경우 방출 스펙트럼이 연속적으로 나타나 가시광선의 모든 파장이 방출 스펙트럼으로 나타납니다. 반면 기체의 경우 연속적인 방출 스펙트럼 형태가 아니라 특정 파장에서만 빛을 방출하는 형태가 됩니다. 모든 원소들은 고유의 방출 스펙트럼을 가지며 이는 미지의 원자를 확인하기 위한 분석에 활용될 수 있습니다.
수소 원자의 방출 스펙트럼
1913년 물리학자 보어는 수소 원자의 방출 스펙트럼에 대한 이론적 설명을 제안했습니다. 보어의 가설은 전자가 어느 특정 에너지를 가진 궤도에만 존재한다고 가정했습니다. 전자의 에너지가 양자화 되어 있다고 가정한 것인데요. 보어는 수소 원자 내의 전자가 가질 수 있는 에너지를 En=-RH(1/n^2)으로 나타내었습니다. 여기서 RH는 Rydberg 상수로 2.18×10^-18J의 값입니다. n은 주양자수를 뜻하며 1, 2, 3, 4와같은 정수로 나타낼 수 있습니다. 이 식에서 -값은 임의로 정한 것으로 원자 내의 전자 에너지값은 핵으로부터 무한히 떨어져있는 전자인 자유전자 값 ‘0’보다 그 값이 작다는 것을 뜻합니다. 보어의 모형에서 각 원형 궤도의 반지름은 n^2에 의존합니다. 따라서 n값이 커질수록 제곱으로 반지름이 증가하고 더 높게 들뜬 상태일수록 핵으로부터 더 멀어진다고 가정했습니다. 보어의 이론으로 수소 원자의 선 스펙트럼을 설명할 수 있습니다. 원자에 의해 흡수된 복사 에너지는 낮은 에너지 궤도에서 높은 에너지 궤도로 전자를 이동하게 합니다. 반대로 전자 에너지 궤도가 높은 곳에서 낮은 궤도로 이동할 때 광자 형태의 복사에너지가 방출된다고 합니다.
전자의 이중성
물리학자들은 이러한 보어의 이론에 대해 수소 전자의 에너지가 양자화 되는지에 대해 의문을 품었고 보어 역시도 원자 내의 전자가 일정한 거리에서 핵 주위를 선회하도록 제한되어 있는 움직임을 보이는지에 대한 논리적인 근거를 마련하지 못했습니다. 이에 대해 1924년 프랑스의 물리학자 Louis de Broglie가 실마리를 찾게 됩니다. de Broglie는 만약 빛의 파동이 입자의 흐름과 같이 움직인다면 전자와 같은 입자는 파동성을 가질 수 있다고 추론하였습니다. 이에 따라 핵에 묶여 있는 전자는 정류파처럼 행동하게 되는데 이 파의 길이는 궤도의 원주와 일치하여야 한다고 주장했습니다. 보어의 이론이 de Broglie에 의해 한번 업그레이드 된 후, 미국의 Clinton Davisson과 Lester Germer, 영국의 G. P. Thomson은 전자들이 실제로 파동의 특성을 보인다는 사실을 증명했습니다. 얇은 금박 조각에 전자빔을 통과시켜 스크린상에서 X선을 사용할 때 관찰되는 유사한 동심원들을 얻어낼 수 있었습니다.
양자 역학의 등장
보어의 이러한 이론은 헬륨이나 리튬 원자와 같이 두개 이상의 전자를 가지는 원자들의 방출 스펙트럼을 설명할 수 없었습니다. 또한 자기장을 가할 때 또 다른 선들이 수소 방출 스펙트럼상에 나타나는 이유에 대해서도 설명할 수 없었습니다. 파동처럼 거동하는 작은 입자의 위치를 설명하기 위해서 Heisenberg는 현재 불확실성의 원리라고 알려진 원리를 공식화 하였습니다. 입자의 운동량과 위치를 모두 동시에 정확히 결정하는 것은 불가능하다는 원리입니다. 1926년 슈뢰딩거는 수학적 기술을 사용하여 거시적인 물체들의 운동에 대한 법칙을 만들었습니다. 슈뢰딩거의 방정식은 새로운 분야인 양자 역학, 즉 파동 역학의 새로운 학문 분야를 창조하게 되었고 현재까지 보어가 수소 원자에 대한 분석을 발표한 1913년부터 1926년까지를 양자론의 발전 관점에서 구양자론이라고 부르게 되었습니다.