1. 개요
모든 물질은 원자로 이루어져 있다.
물리학자 리처드 파인만이 "모든 지식이 파괴된 인류에게 단 한 문장만 전할 수 있다면 무엇을 전하시겠습니까?"라는 질문에 대해 남긴 대답.
원자론(原子論, Atomic theory)은 세계의 모든 물질은 원자로 이루어져 있다는 이론이다.물리학자 리처드 파인만이 "모든 지식이 파괴된 인류에게 단 한 문장만 전할 수 있다면 무엇을 전하시겠습니까?"라는 질문에 대해 남긴 대답.
고대 그리스 철학자 레우키포스에 의해 처음 제안되었으며, 그의 제자인 데모크리토스에 의해 사상적으로 정립되었다. 이 원자설은 이후 에피쿠로스 학파를 통해 계승되었으며, 당대에 널리 퍼져 있던 4원소설(불, 물, 공기, 흙)과 대립하는 입장으로 전개되었다. 그러나 로마 말기 이후 이 학맥은 단절되었고, 중세 유럽에서는 원자론이 거의 자취를 감추게 된다. 대신 아리스토텔레스의 영향력 아래 4원소설이 중심적인 물질 이론으로 자리잡게 된다.
근세에 들어, 중세 유럽에 존재하지 않던 원자설 관련 문헌들이 르네상스 시기를 거치며 라틴어로 번역되어 재조명되기 시작한다. 이 과정에서 가상디나 로버트 보일과 같은 자연철학자들이 원자설을 과학적으로 재해석하고, 당시까지도 여전히 강력한 영향력을 유지하던 4원소설과 다시 이론적 경쟁을 벌이게 된다. 이로써 원자설은 다시 학계의 주류 연구대상으로 자리잡아 실험과 정량적 분석을 수반한 과학적 이론의 기초로 발전할 기반을 마련하게 된다.
원자설과 원자론은 언뜻 보면 같은 의미처럼 보이지만, 역사적 맥락과 철학적 지위에 따라 구분된다. 원자설은 데모크리토스와 같은 고대 철학자들이 제시한 형이상학적 학설로, 실험적 근거나 정량적 분석 없이 직관과 논리로 주장된 이론이다. 반면 원자론은 존 돌턴 이후 근대 물리학과 화학의 실험 결과들을 바탕으로 정립된 과학 이론으로, 전자·양성자·중성자의 발견, 양자역학의 도입 등을 거치며 현대적인 체계를 갖추게 되었다. 따라서 철학적 학설로서의 '원자설'과, 과학 이론으로서의 '원자론'을 구분하는 것이 정확하다.
2. 고대 원자설
2.1. 레우키포스 이전 철학자들
원자설의 등장 이전의 상황에 대해서는 4원소설 문서 참고.분명 원자설을 처음 주장한 사람은 레우키포스였지만, 그런 주장이 등장하는 데에는 아낙사고라스의 영향이 컸다.
아낙사고라스는 아페이론을 아르케라고 보았던 아낙시만드로스와 같이 세계를 무한정한 것으로부터 전개된 것으로 본다. 그러나 그는 밀레투스학파의 입장을 완전히 공유하지는 않고 엠페도클레스와 같이 존재들의 섞이고 분리되는 것으로 인해 만물이 형성되거나 소멸한다는 주장을 제기하였다. 다만 엠페도클레스와 그의 주장의 차이점이 있었는데, 엠페도클레스는 어떠한 것들이 섞이고 분리하는 것 모두 복합물의 생성 원인이자 소멸 원인으로 보았다. 반면 아낙사고라스는 오로지 생성은 섞임으로 인해, 소멸은 분리에 의해 나타나는 것이라는 주장을 한다.
아낙사고라스의 자연철학은 엠페도클레스와의 또 다른 차이점이 존재한다. 엠페도클레스는 각각의 실체는 4원소의 결합으로 형성되며, 해체되면 4원소로 다시 돌아간다는 주장을 폈다. 그러나 아낙사고라스는 이러한 엠페도클레스의 입장에 대해서 동의하지 않는다.
2.2. 레우키포스와 데모크리토스
레우키포스가 원자론을 정립하고 데모크리토스가 발전시킨다. 이때 인과론이 원자론 학파의 주요 이념으로 편입된다.2.3. 에피쿠로스와 루크레티우스
2.4. 4원소설과 고대 원자설
기하학적 원자설로 원자설과 4원소설 사이를 절충하려는 플라톤의 시도도 존재하였다. 그러나 아리스토텔레스나 스토아 학파의 4원소설이 완성되면서 이후의 4원소설은 이것을 좀 더 보충한 것에 불과했다.3. 근대 원자설
3.1. 원자설의 부활
3.2. 로버트 보일의 입자 철학
그 후 영국의 과학자 로버트 보일이 보일의 법칙을 발견하였다. 보일의 법칙이란 일정한 온도에서 기체의 부피와 기체의 압력은 서로 반비례한다는 것인데, 예를 들면 기체의 부피가 두 배 올라갈 때마다 압력은 2분의 1이 된다는 것이다. 또 그는 그의 조수 로버트 훅과 공기 펌프를 만들어 대기 입자의 존재를 공기의 탄력으로 설명했다. 이것을 계기로 보일의 법칙이 나온것이다. 그 후 계속 그는 불과 공기, 즉 연소와 산소의 연구를 하여 불이 입자로 되어있다고 했다.4. 원자론
| 원자 모형의 변천사 | ||
| 시대 | 과학자 | 명칭 |
| 1803년 | 존 돌턴 | 구 모형 |
| 1897년 | 조지프 존 톰슨 | 건포도 푸딩 모형 |
| 1911년 | 어니스트 러더퍼드 | 행성 모형 |
| 1913년 | 닐스 보어 | 보어의 원자 모형 |
| 현대 | 에르빈 슈뢰딩거 | 오비탈 |
4.1. 돌턴의 원자 모형
이후 존 돌턴(John Dalton)은 1803년, 기체의 압력과 화합물의 질량비에 대한 실험 결과를 바탕으로, 물질이 더 이상 쪼갤 수 없는 '불가분의 입자', 즉 원자로 구성되어 있다는 원자 이론을 제시하였다. 이 이론은 기체 법칙, 질량 보존의 법칙, 배수 비례의 법칙 등 당대의 실험 결과들을 설명하기 위한 모델로 제안되었으며, 다음과 같은 내용을 포함하고 있다.- 모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 작은 입자인 '원자'로 구성되어 있다.
- 동일한 원소의 원자는 모두 동일하며, 같은 성질과 질량을 가진다.
- 화합물은 서로 다른 원소의 원자들이 일정한 정수비로 결합하여 형성된다.
- 화학 반응은 원자들이 새로운 조합으로 재배열되는 과정일 뿐이며, 반응 중 원자는 생성되거나 파괴되지 않는다.
- 두 종류의 원자가 결합하여 만들어지는 화합물이 단 하나뿐이라면, 그 화합물은 두 원자가 1:1의 비율로 결합된 것으로 간주된다.
이 이론은 화학 반응의 정량적 해석과 분자식의 개념을 도입하는 데 결정적인 기여를 하였으며, 이후 근대 화학의 기초 이론으로 자리잡게 된다. 그러나 당연히 돌턴의 원자론은 원자 모형의 초기 모델로서, 완전한 이론은 아니었다.
4.2. 아보가드로의 이론
이후 기체 반응의 법칙이 제시되면서 모순이 드러났고, 이를 해결하기 위해 1811년, 아메데오 아보가드로(Amedeo Avogadro)는 "같은 온도와 압력에서, 같은 부피의 기체는 같은 수의 분자를 포함한다"는 아보가드로의 법칙을 제안하며 분자론을 발표하였다. 이 분자 개념은 기체의 부피와 반응비를 자연스럽게 설명해주는 강력한 틀이었으나, 당시 학계에서 돌턴이 강한 영향력을 가지고 있었고, 돌턴 본인이 분자 개념을 받아들이지 않았기 때문에 아보가드로의 이론은 그의 생전에는 거의 주목받지 못하였다.당시에는 '분자'라는 개념이 아직 명확히 정립되지 않아, 원자와 혼용되어 사용되는 경우가 많았다. 상기했다시피, 돌턴은 모든 물질이 더 이상 분해할 수 없는 단일한 '원자'로 이루어져 있다고 보았으며, 화합물은 서로 다른 원소의 원자들이 1:1의 비율로 결합한 단순한 조합이라고 이해했다. 그에 따르면, 같은 원소의 원자들이 두 개씩 결합해 존재한다는 개념([math(H_2)], [math(O_2)] 등)은 성립할 수 없었고, 모든 기체는 단일 원자로 존재한다고 간주되었다. 따라서 '분자'라는 개념은 단지 원자들의 조합에 붙이는 명칭일 뿐, 원자와는 본질적으로 다르지 않다고 여겼다.
이러한 입장 때문에, 아보가드로가 제안한 "같은 원소의 분자"([math(H_2)], [math(O_2)]) 개념은 돌턴에게는 받아들일 수 없는 것이었고, 결과적으로 조제프 루이 게이뤼삭의 기체 반응비와도 모순을 일으키게 되었다. 비록 아보가드로의 이론은 그의 생전에는 돌턴의 권위로 인해 인정받지 못했지만, 훗날 스타니슬라오 카니차로가 1860년 카를스루에 회의에서 이를 재정리·보급하면서 비로소 널리 받아들여지게 된다.
4.3. 볼츠만의 이론
본래 존 돌턴 등의 원자설은 화학 반응과 화합물의 조성을 설명하기 위한 이론으로, 물리학과는 별개였다. 그러나 19세기 들어 열역학이 발전하고, 기체의 물리적 성질을 설명할 필요성이 대두되면서, 루돌프 클라우지우스 등은 기체 분자 운동론을 통해 물리학적 맥락에서도 원자 개념을 도입하였다.이후 루트비히 볼츠만(Ludwig Boltzmann)은 이 개념을 확장하여 고전 통계역학을 구축하였지만, 당시 기준으로 원자의 실재는 물리적으로 검증되지 않았기 때문에 물리학계 내부에서도 논란이 있었다. 대표적으로, 마하 수로 유명한 오스트리아의 물리학자 에른스트 마흐는 철저히 실증주의적 입장에서 "직접 관측되지 않는 원자는 믿을 수 없다"고 주장하며 볼츠만의 이론을 공개적으로 비판하였다. 마흐는 맥스웰 방정식을 중심으로 모든 물리 현상을 연속적인 장(field)으로 설명하려 했고, 입자 개념은 이를 방해하는 철학적 허구로 간주하였다.
한편 볼츠만은 이러한 비판과 이론적 고립 속에서도 통계역학의 토대를 확립했으나, 원자 실재를 둘러싼 논쟁은 그에게 큰 심리적 고통을 안겼고, 결국 그의 만년은 비극으로 끝난다. 볼츠만은 평생 자신의 이론을 방어하며 학문적 고립 속에서 깊은 우울증을 앓았고, 결국 1906년 자살로 생을 마감했다. 아이러니하게도, 그의 사망 이후 곧이어 전자와 브라운 운동 등 실험적 증거들이 등장하면서, 볼츠만의 이론은 과학계에서 급속히 정당화되었다.
4.4. 톰슨의 원자 모형
조지프 존 톰슨(Joseph John Thomson)은 1897년, 캐번디시 연구소에서 음극선 실험을 수행하던 중, 음극선이 정전기장과 자기장에 의해 휘어진다는 사실을 관측했다. 이는 음극선이 파동이 아닌, 전하를 띤 입자라는 것을 의미하였다. 그는 이 입자가 음전하를 가진 매우 작은 질량의 실체라는 것을 밝혔고, 이 입자에 "전자(electron)"라는 이름을 붙였다.이를 바탕으로 톰슨은 원자 내부에 음전하(전자)가 존재한다는 최초의 실험적 증거를 제시하였다. 이로써 돌턴의 '불가분의 입자'로서의 원자 개념은 깨지게 된다. 하지만 원자가 어떻게 전자를 포함하고 있는지는 설명이 필요했고, 톰슨은 이를 해결하기 위해 다음과 같은 건포도 푸딩 모형을 제안하였다.
- 원자는 전체적으로 양전하로 이루어진 구형 공간이며, 이 내부에 전자들이 박혀 있는 형태이다.
- 이 모형에서 양전하는 연속적 분포를 가지며, 전자들은 그 안에 건포도처럼 점점이 존재한다.
- 전자들의 정전기적 반발은 양전하의 균형에 의해 안정화된다고 가정한다.
이 모형은 전자의 존재를 최초로 고려한 원자 구조 모형으로, 이후 전자 배치나 화학 반응에 대한 이론적 시도들의 기반이 되었다. 그러나 원자 내 전자들이 왜 붕괴하지 않고 안정하게 정지 상태로 존재하는지를 설명하지 못했고, 알파입자 산란 실험 결과도 전혀 설명하지 못했다. 이러한 한계는 이후 어니스트 러더퍼드의 실험을 통해 보완되었다.
4.5. 플랑크의 이론
1900년, 독일의 물리학자 막스 플랑크(Max Karl Ernst Ludwig Planck)는 흑체복사 실험 결과를 설명하기 위해 기존의 고전 물리학으로는 설명할 수 없었던 에너지 분포 문제에 주목하였다. 고전 이론은 고주파 영역에서 에너지가 무한대로 발산하는 "자외선 파탄(ultraviolet catastrophe)"을 예측했지만, 실험 결과와는 명백히 어긋났다. 플랑크는 이 문제를 해결하기 위해, 에너지가 연속적으로 방출되는 것이 아니라 불연속적인 단위(양자, quantum)로만 흡수·방출된다는 가설을 제안하였다. 그는 복사 에너지 [math(E)]가 진동수 [math(\nu)]에 비례하며, 그 비례상수를 [math(h)]라 하여 다음과 같은 관계식을 세웠다:[math(E = h\nu)]
여기서 [math(h)]는 플랑크 상수(Planck constant)로, 에너지의 최소 단위 크기를 결정하는 자연 상수이다. 이 식은 에너지가 연속적으로가 아니라 '덩어리(양자)' 단위로 교환된다는 양자역학의 출발점이 되었으며, 이후 알베르트 아인슈타인의 광양자설, 닐스 보어의 원자 모형, 그리고 현대 양자역학의 정립으로 이어지는 결정적 전환점이 되었다.
4.6. 소디의 이론
동시에 이 시기에는 존 돌턴의 원자론과 충돌하는 것으로 보이는 새로운 개념들이 등장하기 시작했다. 1896년 앙리 베크렐이 방사선을 발견한 데 이어, 1903년 러더퍼드와 프레더릭 소디(Frederick Soddy)는 방사선이 원소의 변환 과정에서 방출되는 것이라고 발표하였다. 이는 돌턴이 주장한 "원자는 더 이상 분해되지 않는 기본 입자"라는 개념에 정면으로 반하는 발견이었다.이어 1910년, 소디는 화학적 성질은 동일하지만 방사성 붕괴 방식이 다른 원소들이 존재한다는 사실을 밝혀내며, 오늘날의 동위원소 개념을 제시하였다.
4.7. 러더퍼드의 원자 모형
#!if (문단 == null) == (앵커 == null)
를#!if 문단 != null & 앵커 == null
의 [[알파입자 산란 실험#s-|]]번 문단을#!if 문단 == null & 앵커 != null
의 [[알파입자 산란 실험#|]] 부분을"It was almost as incredible as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you."
"15인치 포탄을 휴지 조각에 쏘았는데, 그것이 되튕겨 나와 당신을 맞춘 것만큼이나 믿기 어려운 일이었다."
알파 입자가 금박에 맞고 튕겨 나온 현상을 믿기 어려운 일로 묘사한 러더퍼드의 유명한 비유.
어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)는 1909년경 알파입자 산란 실험(일명 금박 실험)을 통해, 대부분의 알파 입자가 금박을 통과하지만 일부는 큰 각도로 튕겨나간다는 사실을 발견하였다. 이는 양전하가 전체 원자에 고르게 퍼져 있다는 톰슨 모형으로는 설명할 수 없는 결과였다. 이에 따라 러더퍼드는 1911년, 다음과 같은 태양계 원자 모형을 제시하였다."15인치 포탄을 휴지 조각에 쏘았는데, 그것이 되튕겨 나와 당신을 맞춘 것만큼이나 믿기 어려운 일이었다."
알파 입자가 금박에 맞고 튕겨 나온 현상을 믿기 어려운 일로 묘사한 러더퍼드의 유명한 비유.
- 원자는 대부분이 빈 공간으로 구성되어 있다.
- 원자의 중심에는 질량과 양전하가 집중된 '원자핵'이 존재한다.
- 전자는 이 핵 주위를 궤도를 그리며 회전하고 있다.
- 양성자는 핵 내부에 존재하며, 전자와 전기적으로 끌어당긴다.
러더퍼드 모형은 원자핵의 존재를 최초로 도입함으로써 현대 원자물리학의 틀을 마련하였으나, 여전히 한계는 존재했다. 고전 전자기학에 따르면 가속 운동 중인 전자는 전자기파를 방출하며 에너지를 잃고 핵에 낙하해야 하는데, 실제로 원자는 안정한 구조를 유지한다. 이 문제는 후에 보어의 원자 모형에서 일정 궤도 내에서는 에너지를 방출하지 않는다는 양자 조건을 도입함으로써 해결된다.
4.8. 보어의 원자 모형
#!if (문단 == null) == (앵커 == null)
를#!if 문단 != null & 앵커 == null
의 [[보어의 원자 모형#s-|]]번 문단을#!if 문단 == null & 앵커 != null
의 [[보어의 원자 모형#|]] 부분을러더퍼드의 모형은 원자핵 중심에 전자가 궤도를 돌고 있다는 구조를 제시했지만, 전자 붕괴 문제를 설명하지 못했다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 닐스 보어(Niels Bohr)는 1913년 양자화된 궤도 개념을 도입하여 새로운 원자 모형을 제안하였다.
- 전자는 핵 주위를 정해진 반지름의 궤도(정상 상태)에서만 돌 수 있으며, 이 궤도에서는 에너지를 방출하지 않는다.
- 전자가 궤도를 바꿀 때만 에너지를 흡수하거나 방출하며, 그 에너지 차이는 광자의 형태로 발산된다.
- 전자 궤도는 플랑크 상수 [math(h)]와 관련된 양자 조건에 따라 제한된다:
[math(\displaystyle L = n\hbar = n\frac{h}{2\pi},\quad n \in \mathbb{N})]
[math(L)]은 전자의 각운동량, [math(n)]은 양자수(자연수), [math(h)]는 플랑크 상수, [math(\hbar)]는 디랙 상수([math(\hbar = \frac{h}{2\pi})])를 의미한다.
이 모형은 수소 원자의 스펙트럼 선(발머 계열 등)을 정확하게 설명함으로써 큰 성공을 거두었으며, 당시로서는 획기적인 양자 이론의 응용이었다.
그러나 보어 모형은 다전자 원자에 적용하면 잘 맞지 않고, 전자의 파동성이나 확률적 위치 같은 특성을 고려하지 못했기에 이후 더 발전된 모형으로 대체된다.
4.9. 드 브로이의 이론
1924년, 프랑스의 물리학자 루이 드 브로이(Louis de Broglie)는 입자와 파동의 이중성 개념을 제시하며, 전자와 같은 물질 입자도 파동적 성질을 가진다는 물질파 이론(matter wave hypothesis)을 발표하였다. 이는 당시까지 빛은 입자이면서 파동이라는 양면성을 가지고 있다는 알베르트 아인슈타인의 광양자 이론을 일반화한 것으로, 드 브로이는 모든 물체는 운동량에 따라 특정한 파장을 가진다고 가정하였다. 그는 파동의 파장 [math(\lambda)]과 입자의 운동량 [math(p)] 사이에 다음과 같은 관계식을 제안하였다:[math(\displaystyle \lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{mv})]
드 브로이의 이론은 이후 다윗슨-거머 실험을 통해 전자의 회절 현상이 실험적으로 관측되면서 실증되었고, 이는 슈뢰딩거 방정식의 정립과 양자역학 이론 체계의 형성에 결정적인 이론적 토대를 제공하였다.
4.10. 슈뢰딩거의 원자 모형
에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)는 1926년, 전자를 고전적인 입자가 아닌 확률적 파동함수로 간주하고, 원자의 상태를 기술하는 슈뢰딩거 방정식을 제안하였다.이 모형은 전자가 특정 궤도를 돈다는 보어의 생각을 버리고, 전자가 어느 위치에 존재할 확률이 높은지(확률 분포)를 계산하는 방식으로 원자를 기술한다. 즉, 원자 내 전자의 상태는 정해진 궤도가 아니라, 오비탈(orbital)이라는 3차원 확률 밀도 분포로 표현된다. 이를 '전자 구름 모형' 혹은 '파동역학 모형'이라 칭하기도 한다.
- 전자는 핵 주위에 존재할 확률이 높은 영역(오비탈)에 퍼져 있는 파동으로 간주된다.
- 오비탈은 양자수 (주양자수 [math(n)], 각운동량양자수 [math(l)], 자기양자수 [math(m_l)], 스핀양자수 [math(m_s)])에 의해 결정된다.
- 각 오비탈은 s, p, d, f 등 다양한 모양을 가지며, 이 구조가 주기율표의 구조와 직접적으로 연결된다.
이 모형은 수소뿐만 아니라 모든 원자와 분자에 적용 가능하며, 현대 원자론과 화학 결합 이론의 토대를 이룬다. 양자화, 불확정성, 겹침(superposition) 등의 양자적 특성을 포괄하고 있어, 현대 원자 모형의 정본적 형태로 간주된다.
4.11. 하이젠베르크의 이론
1927년, 독일의 물리학자 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg)는 드 브로이의 입자-파동 이중성에 기반하여, 미시 세계에서는 물리량의 측정에 근본적인 한계가 존재한다는 불확정성 원리(Uncertainty Principle)를 제시하였다. 이는 고전역학에서처럼 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정하는 것이 불가능하다는 것을 의미하며, 양자역학의 해석에 있어 결정적인 전환점을 가져온다.하이젠베르크는 입자의 위치 [math(\displaystyle x)]와 운동량 [math(\displaystyle p)]를 동시에 정확히 아는 것은 원리적으로 불가능하며, 그 측정의 불확실성은 다음과 같은 수학적 관계로 주어진다고 하였다:
[math(\displaystyle \Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{\hbar}{2})]
여기서 [math(\displaystyle \Delta x)]는 위치의 불확정성, [math(\displaystyle \Delta p)]는 운동량의 불확정성, [math(\displaystyle \hbar = \frac{h}{2\pi})]는 디랙 상수(플랑크 상수를 [math(2\pi)]로 나눈 값)이다. 이 원리는 단순한 측정 기술의 한계를 뜻하는 것이 아니라, 자연 자체가 본질적으로 확률적 성격을 지닌다는 점을 의미한다. 하이젠베르크의 불확정성 원리는 이후 코펜하겐 해석의 핵심 이론적 기반이 되었으며, 결정론적 세계관에서 확률론적 자연관으로의 패러다임 전환을 이끈 결정적인 계기가 되었다.
4.12. 체드윅의 이론
1932년, 영국의 물리학자 제임스 체드윅(James Chadwick)은 중성자의 존재를 실험적으로 입증하였다. 당시 원자핵은 양성자만으로 이루어져 있다고 여겨졌지만, 여러 핵 반응에서 나타나는 질량 불일치와 전하 보존의 문제를 설명할 수 없었다. 체드윅은 베릴륨에 알파 입자를 충돌시켰을 때 강한 침투력을 지닌 중성의 방사선이 발생한다는 현상에 주목하였고, 이를 단순한 감마선이 아닌 전기적으로 중성이면서 질량을 가진 입자로 해석하였다.그는 다양한 물질에 대한 산란 실험과 에너지 계산을 통해 이 입자가 전하가 없는 새로운 소립자임을 밝혀내고, 이를 "중성자"라고 명명하였다. 이 발견은 원자핵의 구조에 대한 이해를 획기적으로 확장시켰으며, 이후 핵분열, 핵반응, 중성자 산란 실험 등 현대 핵물리학의 기초를 여는 결정적인 전환점이 되었다.
4.13. 현대의 양자역학적 원자 모형
현대 물리학에서 원자는 양자장론(QFT)과 전자기 이론, 상대론적 효과까지 포함한 복잡한 체계로 이해된다. 특히 다음과 같은 요소들이 현대 원자 이론에 포함된다.- 양자 전기역학(QED): 전자와 광자의 상호작용을 기술하는 이론. 정밀한 스펙트럼 설명에 필수.
- 스핀-궤도 결합: 전자의 스핀과 궤도 운동이 상호작용하여 오비탈 에너지가 미세하게 분리됨.
- 페르미온 통계: 동일한 양자 상태에 두 전자가 존재할 수 없다는 파울리 배타 원리에 따라 오비탈 배치가 결정됨.
- 불확정성 원리: 하이젠베르크의 원리에 따라, 전자의 정확한 위치와 운동량을 동시에 알 수 없으며, 이는 오비탈의 확률적 해석을 정당화함.
- 상대론적 효과: 무거운 원소일수록 상대론적 속도로 운동하는 전자들의 궤도 변화가 두드러짐.(예: 수은이 상온에서 액체인 이유)
결국 원자 모형은 단순한 구 모양 입자 중심의 구조에서 출발해, 확률적이고 다층적인 파동장 구조로 진화하였다. 현대의 원자 이론은 물리학과 화학을 통합하는 가장 핵심적인 이론 구조 중 하나이며, 주기율표의 구조적 근거 또한 이 이론에 의해 설명된다.
5. 그 외
돌턴의 원자기호들은 연금술사들이 별과 금속을 표기하는 기호들에서 유래되었다.상좌부 불교, 특히 아비담마 논서에서는 '깔라빠(kalapa)'라는 원자의 존재를 논한다. 깔라빠는 다양하게 나뉜다. 먼저 구체적인 물질이 있는데, 땅의 성질, 물의 성질, 불의 성질, 바람의 성질, 물질, 냄새, 맛, 영양분,[1] 생명기능,[2] 눈 감성물질, 귀 감성물질, 코 감성물질, 혀 감성물질, 몸 감성물질, 심장 토대, 남성 물질, 여성 물질[3]이 그것이다. 다음으로 추상 물질도 있는데, 허공의 요소, 몸 암시, 말 암시, 물질의 가벼움, 물질의 부드러움, 물질의 적합함, 생성, 상속, 쇠퇴, 무상함이다.
깔라빠의 크기는 전차 바퀴에 붙은 먼지 한 톨의 46,656분의 1이라고 한다. 일부 상좌부 수행 지도자[4]는 사마타와 위빠사나 수행을 통해 깔라빠의 생멸을 관찰할 수 있어야만 열반에 이를 수 있다고 가르치기에 깔라빠를 매우 중요하게 다룬다. 단, 과연 깔라빠의 존재가 과학적으로 검증 가능한지에 대해서는 논쟁이 있다. 대개 불교 수행자들은 깔라빠를 명상으로 열린 지혜의 눈으로만 볼 수 있는, '체험 가능한' 경험 현상의 최소 단위로 취급하지, 실제 물리법칙과 상관이 있는지에 대해서는 논쟁해봤자 무의미하다고 보곤 한다. 오히려 화학적 원자보다는 감각질에 가깝다고 보는 의견도 있다.