전자도 물결을 그린다

1924년, 박사 논문을 쓰던 루이 드브로이가 대담한 생각을 내놓았습니다. 빛은 파동인 줄 알았는데 알갱이 성질도 보인다(3장). 그렇다면 반대도 성립하지 않을까? 즉 전자처럼 알갱이로 알려진 것도 파동 성질을 가지지 않을까 하는 것입니다.

그는 물질 알갱이에도 파장을 붙일 수 있다고 제안했습니다. 그 파장은 운동량에 반비례합니다. 무겁고 빠른 것일수록 파장이 짧아집니다. 야구공에 이 식을 적용하면 파장이 원자핵보다 훨씬 작게 나옵니다 — 그래서 우리는 일상에서 공의 파동성을 결코 느끼지 못합니다. 반면 전자처럼 아주 가벼운 것은 파장이 원자 크기쯤 되어 파동 성질이 뚜렷이 드러납니다.

이 제안은 보어 모형의 «왜 그 궤도만?»에 곧바로 답을 주었습니다. 전자가 파동이라면, 궤도를 한 바퀴 돌았을 때 파동의 마루와 골이 자기 자신과 어긋나지 않아야 합니다. 어긋나면 서로 상쇄되어 사라집니다. 기타 줄이 정해진 몇 가지 음만 내는 것과 같은 이치입니다 — 줄 길이에 파장이 딱 맞아떨어지는 진동만 살아남습니다. 궤도 둘레가 파장의 정수배가 되는 궤도만 허락된다고 보면, 보어가 «그냥 가정»했던 조건이 저절로 나옵니다.

1927년 데이비슨과 저머가 니켈 결정에 전자를 쏘아 회절무늬를 얻었습니다. 회절은 파동만이 하는 일이니, 전자의 파동성이 실험으로 확인된 것입니다. 오늘날 전자현미경은 바로 이 전자의 짧은 파장을 이용해 빛으로는 볼 수 없는 작은 것을 봅니다.