러더퍼드의 산란 실험을 통해 본 원자핵의 크기






핵의 발견

금세기 초에는 원자가 전자를 포함하고 있다는 사실을 제외하고는 원자의 구조에 대해서 알려진 것이 별로 없었습니다.

전자는 1897년 톰슨(Thomson)에 의해 발견되었으나, 전자의 질량은 금세기 초까지 알려지지 않았습니다. 따라서 원자 내에 음으로 대전된 전자가 얼마나 많이 포함되어 있는지 알 수 없었습니다. 원자는 전기적으로 중성이므로 원자는 반드시 양전하를 포함해야만 합니다. 그러나 양전하가 어떠한 형태로 존재하고 있는지는 아무도 알지 못하였습니다.

당시에 원자는 마치 건포도가 들어 있는 푸딩 모형과 같은 것이라고 생각하였습니다. 이 모형에 의하면 원자 내의 양전하들은 전체 부피 내에 골고루 퍼져 있으며, 전자(건포도)들은 전하의 구(푸딩)내에서 고정점들을 중심으로 진동하고 있는 것으로 생각되었습니다.

1911년 러더퍼드(Rutherford)는 강력한 에너지를 갖는 α입자(헬륨의 원자핵)를 얇은 금박 조각에 충돌시키는 실험을 하였습니다.

전자보다 7300배나 무거운 α입자는 +2e의 전하를 가지고 있으며 많은 방사성 물질로부터 수 MeV의 에너지를 가지고 자연적으로 방출됩니다.

러더퍼드는 이 실험으로 α입자들이 금박 조각을 통과하면서 휘어지는 양을 측정하려 했입니다.


실험의 결과, 대부분의 α입자들은 작은 각도로 산란되지만, 매우 놀랍게도 매우 작은 양의 α입자가 180도에 가까운 큰 각도로 산란되었습니다. 이것을 본 러더퍼드는 이렇게 말했습니다.

“이 결과는 나의 인생에 있어서 믿을 수 없는 대 사건이었다. 이것은 15인치 포탄을 얇은 종이에 쏘았을 때 포탄이 되튀기는 것과 마찬가지로 믿을 수 없는 것이다.”

이 실험을 통해 인류는 원자핵의 존재를 알게 되었습니다.
실험의 결과를 분석하여 러더퍼드는 다음과 같은 결론을 내렸습니다.

“원자핵의 반지름은 원자의 반지름보다 매우 작아야 하며, 그 비는 약 104이다. 다시 말하면 원자의 대부분은 빈 공간으로 구성되어 있다.”

뛰어난 과학자의 날카로운 통찰력과 몇 가지 간단한 계산에 의해서 그렇게 중요한 결론을 이끌어 내는 것은 흔한 일이 아닙니다.


얇은 금박 조각에 의한 α(알파)입자의 산란을 실험하기 위해서 사용된 실험장치. 검출기는 여러 산란 각도로 회전될 수 있습니다. 이처럼 간단한 실험장치로 원자핵이 발견되었습니다.

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