전자는 어디에 있는가 — 운동장을 채운 구름

공이 아니라 구름

원소 도구 판 1은 원자를 축구장만 하게 키웁니다. 원자핵은 한가운데 쌀 한 톨. 이 그림은 원자가 얼마나 텅 비어 보이는지 알려 주는 데는 좋지만, 한 가지를 오해하게 합니다. 전자가 운동장 어딘가를 굴러다니는 작은 공이라는 생각입니다.

전자는 운동장 한 점에 있는 공이 아닙니다. 운동장 전체에 퍼진 구름입니다. 구름이 짙은 곳은 전자를 찾으면 발견될 가능성이 높은 곳, 옅은 곳은 낮은 곳입니다. 판 6에서 칸이라고 부른 방이 바로 이 구름의 모양, 오비탈입니다. 공 모양, 아령 모양, 클로버 모양이 구름이 놓이는 방식입니다.

재기 전에는 한 자리를 말할 수 없다

그럼 전자는 사실 한 점에 있는데 우리가 모르는 것뿐일까요. 그렇지 않다는 실험이 있습니다. 이중 슬릿 실험입니다.

벽에 가느다란 틈을 두 개 내고 전자를 하나씩 쏩니다. 전자가 작은 공이라면 뒤 화면에 틈 모양대로 두 줄이 생겨야 합니다. 그런데 하나씩 쏜 전자가 쌓이고 나면 화면에는 여러 줄의 줄무늬가 나타납니다. 물결 두 개가 겹칠 때 생기는 무늬입니다. 1989년 일본 히타치 연구소의 도노무라 아키라 팀이 전자를 한 번에 하나씩 보내는 실험으로 이 무늬가 점 하나하나로 쌓여 가는 모습을 찍었습니다.

전자 하나가 두 틈을 한꺼번에 지나 자기 자신과 겹친 셈입니다. 그런데 어느 틈으로 갔는지 재 보면 무늬가 사라지고 다시 두 줄이 됩니다. 그래서 물리학자들은 이렇게 말합니다. 재기 전에는 전자가 어느 한 자리에 있다고 말할 수 없다. 이 사실을 어떻게 해석할지는 지금도 의견이 갈리지만, 실험 결과 자체는 누가 해도 같습니다.

무엇이 출렁이는가

소리는 공기가 흔들리는 것입니다. 바다의 파도는 물이 흔들리는 것입니다. 그럼 전자라는 파동은 무엇이 흔들리는 것일까요. 여기가 가장 어려운 대목입니다.

지금 물리학에서 가장 정확하게 맞아떨어지는 이론은 이렇게 봅니다. 우주 전체에 전자의 장이 깔려 있고, 그 장이 한 덩어리로 출렁인 것이 전자 하나입니다. 바다 전체가 장이고, 파도 하나가 전자입니다. 공기처럼 따로 있는 물질이 흔들리는 게 아니라 장 자체가 흔들립니다. 그래서 전자는 파동이면서도 셀 때는 꼭 하나, 둘로 셉니다.

여기부터 조금 더

텅 빈 자리에서 화학이 일어난다

운동장이 거의 텅 비어 있다는 것은 쓸모없다는 뜻이 아닙니다. 그 텅 빈 자리의 구름이 원자의 겉모습이고, 두 원자의 구름이 겹치는 것이 화학결합입니다. 물 분자에서 수소와 산소는 전자를 한쪽이 가져가는 게 아니라 두 구름이 겹친 자리를 같이 씁니다. 이것이 공유결합입니다. 원소 도구 판 4에서 나눠 쓰는 방이 두 원자 사이에 걸쳐 있던 까닭입니다.

우리가 책상을 손으로 누를 때 손이 책상을 통과하지 않는 것도 원자핵끼리 부딪혀서가 아닙니다. 손의 전자 구름과 책상의 전자 구름이 서로 밀어내기 때문입니다. 우리가 만지는 모든 것은 사실 구름의 겉면입니다.

자리를 잡으면 빠르기를 잃는다

전자가 어디 있는지 아주 정확하게 재려고 하면, 그만큼 얼마나 빠르게 어디로 가는지가 흐려집니다. 반대로 빠르기를 정확히 재면 자리가 흐려집니다. 이것이 불확정성 원리입니다. 재는 기계가 부족해서가 아니라, 자연이 둘을 동시에 또렷하게 주지 않습니다.

이 원리 덕분에 원자가 무너지지 않습니다. 전자가 핵의 플러스에 끌려 핵 위로 떨어지면 자리가 너무 정확해지고, 그러면 빠르기가 엄청나게 커져서 다시 튀어나옵니다. 끌려가는 힘과 튀어나오려는 성질이 맞서는 자리에 구름이 생깁니다. 원자의 크기는 그 줄다리기가 정합니다.

도구 원자에서 주기율표까지 — 쌀 한 톨에서 118개의 표로 원자를 축구장만 하게 키워 쌀 한 톨짜리 원자핵까지 들어가 보고, 양성자·중성자·전자를 하나씩 바꿔 수소가 중수소가 되고 헬륨이 되는 것을 보고, 원소마다 손이 몇 개인지로 물과 소금이 왜 그렇게 생겼는지 봅니다. 그다음 한 줄을 접어 표를 만들고 노래로 118개를 훑습니다.

남은 질문우리가 만지는 것이 전부 구름의 겉면이라면, 무언가를 만졌다는 것은 무엇을 한 것일까요?