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알파입자 산란실험

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목차

1. 개요

알파입자 산란 실험은 어니스트 러더퍼드가 수행한 실험으로, 원자 구조에 대한 획기적인 통찰력을 제공했다. 이 실험은 알파 입자를 금속 박막에 쏘아, 입자의 산란 현상을 관찰했다. 러더퍼드는 이 실험을 통해 원자 내부에 질량의 대부분을 차지하는 작고 밀도가 높은 원자핵이 존재하며, 전자는 그 주위를 돌고 있다는 사실을 밝혀냈다. 이 발견은 톰슨의 원자 모형을 뒤집고, 핵물리학의 시작을 알리는 중요한 계기가 되었다.

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알파입자 산란실험

2. 원자 모형의 역사

어니스트 러더퍼드의 실험 이전에는 여러 원자 모형이 제시되었다. J. J. 톰슨은 양전하가 원자 전체에 퍼져 있고 그 안에 전자가 박혀 있는 '푸딩 모형'을 제시했다. 그러나 이 모형은 원자의 다른 특성들을 설명하기 어려웠다. 나가오카 한타로는 톰슨의 모형을 비판하며, 전자가 토성의 고리처럼 양전하 핵 주위를 공전한다는 모형을 제안했지만, 이 역시 궤도가 불안정하다는 문제가 있었다.[11]

러더퍼드는 알파 입자를 금박에 쏘는 실험을 통해 원자 내부에 작고 밀도가 높은 원자핵이 있다는 것을 발견했다. 이 실험은 기존의 원자 모형을 뒤집는 결과였으며, 러더퍼드는 이를 바탕으로 원자핵 주위를 전자가 도는 새로운 원자 모형을 제시했다.

2. 1. 톰슨의 원자 모형 (건포도 푸딩 모형, 플럼 푸딩 모형)

J. J. 톰슨이 1905년에 제시한 "푸딩 모형"은 양전하가 원자 내 모든 곳에 구형으로 퍼져 있고, 그 안에 전자가 거의 균일하게 분포되어 있다고 가정했다.[21][2] 톰슨은 전자가 이 구체 내에서 자유롭게 움직일 수 있다고 생각했으며, 양의 구체는 물질적인 것이라기보다는 추상적인 것에 가깝다고 보았다.[3]

J. J. 톰슨이 1905년에 상상한 원자의 "푸딩 모형"으로, 7개의 전자를 가지고 있다.


톰슨은 음극선에 대한 연구를 통해 전자를 발견했고,[1] 전자가 원자 내에 존재하며 전류는 전자가 인접한 원자로 이동하는 것이라고 제안했다. 전자의 음전하를 상쇄하고 전자를 함께 유지하기 위해 상응하는 양의 전하가 있어야 했다. 톰슨은 이 양전하의 근원을 알 수 없었기 때문에 단순화를 위해 양전하가 원자 내 모든 곳에 존재하며 구형을 띤다고 가정했다.[21]

하지만 톰슨은 방출 스펙트럼이나 원자가와 같은 원자의 다른 알려진 특성을 예측할 수 있는 완전하고 안정적인 모형을 개발하지는 못했다.[4] 일본 과학자 나가오카 한타로는 반대 전하가 서로 침투할 수 없다는 이유로 톰슨의 모형을 거부했다.[5] 대신 그는 전자가 토성 주위의 고리처럼 양전하를 공전한다고 제안했으나,[6] 이 모형 역시 불안정한 것으로 알려졌다.[11]

알파 입자는 특정 방사성 원소에서 자발적으로 방출되는 양전하를 띤 입자이다. 1899년 러더퍼드는 알파 입자를 발견했고,[7] 1906년에는 알파 입자 빔이 자기장과 전기장에 의해 어떻게 편향되는지를 연구하여 알파 입자가 두 개의 전자가 제거된 헬륨 원자라는 것을 알아냈다.[8]

톰슨의 모형은 당시 실험 증거와 일치했다. 톰슨은 베타 입자 산란을 연구했는데, 이는 입자가 연속적으로 많은 원자와 상호 작용하여 작은 각도로 편향되는 것을 보여주었다. 알파 입자의 산란도 비슷할 것으로 예상되었다.[11]

러더퍼드의 논문이 발표될 당시, 톰슨은 "원자 설계 분야에서 세계적인 권위자"였다.[11] 1910년에 제시된 톰슨의 모형[48]은 1906년 논문의 쌍곡선 궤도를 갖는 전자 충돌[49]에 양전하 구의 요소를 결합한 것이었다. 여러 번의 작은 편향들은 임의 보행을 사용하여 합산되었다.[11]

이후 분석 결과, 톰슨의 산란 모형으로는 큰 산란을 설명할 수 없다는 것이 밝혀졌다. 전자 산란 또는 양전하 구로부터의 최대 각도 편향은 각각 0.02° 미만이며, 이러한 산란 사건이 여러 번 결합되더라도 1° 미만의 평균 편향과 90° 산란 확률은 103500분의 1 미만이 된다.[50]

결과적으로, 1911년경 러더퍼드에 의해 원자의 구조가 처음으로 밝혀짐으로써 톰슨 모형은 정확하지 않다는 것이 증명되었다.

2. 2. 나가오카 한타로의 원자 모형 (토성형 모형)

일본의 물리학자 나가오카 한타로는 J. J. 톰슨의 푸딩 모형에 대해, 반대 전하는 서로 침투할 수 없다는 점을 들어 비판했다.[5] 그는 양전하를 띤 핵 주위를 토성의 고리처럼 전자들이 공전한다는 원자 모형을 제안했다.[6] 그러나 이 모형은 전자의 궤도가 불안정하다는 문제점을 안고 있었다.[11]

3. 러더퍼드의 알파 입자 산란 실험

오른쪽: 한스 가이거와 어니스트 마스덴이 관찰한 것은 소수의 알파 입자가 강하게 굴절되었다는 것이다.]]

러더퍼드와 공동 연구자 한스 가이거와 어니스트 마스덴은 대부분의 α입자는 2-3˚의 각도로 산란되지만 약 8,000개 중의 1개 정도는 90-180˚가까이까지 산란된다는 것을 발견하였다.[76] 이와 같은 실험 결과는 원자 속에 원자핵이라는, 원자 질량 대부분을 차지하는 양전하 부분이 반지름 10－15pm 정도의 작은 부피에 집중되어 있고, 그 둘레를 태양과 행성의 관계처럼 전자가 돌고 있다는 러더퍼드 원자 모형으로밖에 설명할 수 없다. 1911년경 러더퍼드에 의해 원자의 구조가 처음으로 밝혀짐으로써 톰슨 모형은 정확하지 않다는 것이 증명되었다.

3. 1. 실험 목적

오른쪽: 가이거와 마스덴의 실험 결과, 소수의 알파 입자가 큰 각도로 산란되었다.]]

1909년, 가이거와 마스덴은 금속 박막이 일부 알파 입자를 90° 이상의 큰 각도로 산란시키는 것을 발견했다.[16] 이는 톰슨의 원자 모형으로는 설명할 수 없는 현상이었다.[16] 톰슨 모형에 따르면 알파 입자는 원자를 거의 직선으로 통과해야 했다.

톰슨은 베타 입자 산란 연구를 통해 베타 입자가 원자를 통과할 때 매우 작은 각도로만 굴절되며,[48] 여러 원자를 연속해서 통과하더라도 총 굴절 각도는 1° 미만일 것이라고 계산했다.[17] 알파 입자는 베타 입자보다 훨씬 큰 운동량을 가지므로, 톰슨 모형에서는 미세한 굴절만 겪어야 했다.[18]

그러나 실제 실험 결과는 톰슨의 예측과 달랐다. 관찰된 큰 각도의 산란은 러더퍼드가 새로운 원자 모형을 고안하게 된 계기가 되었다.[33] 톰슨 모형의 문제점은 전하가 너무 넓게 퍼져 있어서 강한 정전기력을 발생시키기 어렵다는 것이었다. 러더퍼드는 양전하가 원자 전체 부피가 아닌, 원자핵에 집중되어 있다고 가정했다. 원자핵은 원자 전체 크기보다 최소 10,000배 이상 작다. 이렇게 작은 부피에 집중된 양전하는 핵 표면 근처에 훨씬 강한 전기장을 생성한다. 또한 원자핵은 원자 질량의 대부분을 차지하여 알파 입자를 최대 180°까지 굴절시킬 수 있다. 전자는 원자핵 주위에 분포하여 원자의 부피를 채우고 있지만, 음전하는 분산되어 있고 질량이 작아 알파 입자에 거의 영향을 주지 않는다.[31]

러더퍼드는 자신의 모형을 검증하기 위해, 양전하가 원자 중심에 집중되어 있다는 가정 하에 금박에서 산란되는 알파 입자의 세기를 각도별로 예측하는 과학적 모형을 개발했다. 1913년에 수행된 실험을 통해 이 모형은 검증되었다. 러더퍼드의 모형은 톰슨의 베타 산란 결과와 가이거-마스덴의 알파 산란 결과를 모두 설명했다.[11]

3. 2. 실험 장치 및 방법

어니스트 러더퍼드는 맨체스터 대학교의 물리학 교수였으며, 알파선, 베타선, 감마선을 발견하고 그것들이 방사성 붕괴의 결과임을 증명하는 등 방사선 연구로 이미 명성을 얻고 있었다.[78] 1906년, 한스 가이거가 방문했을 때 그에게 감명받아 연구를 돕게 했다.[78] 어니스트 마스덴은 가이거 밑에서 물리학을 배우던 학생이었다.

알파 입자는 우라늄이나 라듐에서 자연적으로 방출되는 작은 양전하 입자이다. 1908년, 러더퍼드는 알파 입자의 질량/전하비를 정확하게 측정하고자 했다. 이를 위해 샘플의 라듐에서 방출되는 알파 입자의 수를 알아야 했다. 알파 입자는 너무 작아 현미경으로 볼 수 없지만, 알파 입자가 공기 중의 분자를 이온화시켜 전장을 만들면 이온이 전류가 된다는 것을 알고 있었다. 이 원리에 기초하여 러더퍼드와 가이거는 전극과 유리관으로 구성된 가이거 계수기의 초기 버전을 만들었다.[78]

가이거와 러더퍼드가 만든 카운터는 검출기 안에서 공기 분자와 알파 입자의 충돌에 의한 편향이 너무 강해 신뢰할 수 없었다. 알파 입자의 궤적이 매우 달라 생성되는 이온의 수가 같아지지 않아 지시값이 믿을 수 없었다. 알파 입자는 무거워서 그렇게 편향될 리가 없다고 생각했던 러더퍼드는 가이거에게 무엇이 어느 정도의 양으로 알파선을 산란시키는지 조사하도록 지시했다.[79]

금속 박의 두께와 재질에 따라 알파 입자의 산란이 어떻게 변화하는지 관찰하기 위해, 그들의 실험에서는 금속 박에 알파 입자를 쏘았다. 입자의 궤적을 측정하기 위해 형광판을 사용했다. 이 판에 알파 입자가 닿으면 작은 발광이 일어났다. 가이거는 어두운 실험실에서 4시간 동안 현미경을 사용하여 이 신티레이션[80]을 세었다.[74] 러더퍼드는 젊은이들에게 이 실험을 의존했다.[81] 여러 금속 박을 시험했지만, 박을 얇게 하려면 전성이 있는 금이 최적이었다.[82] 러더퍼드는 알파 입자의 선원으로 우라늄의 수백만 배나 방사성이 있는[83] 라듐을 선택했다.

가이거가 1908년 논문에서 설명한 장치. 수 도 정도까지의 편향밖에 측정할 수 없다.

1908년 실험에서 가이거는 긴 유리관을 만들고, 한쪽 끝에는 알파 입자의 선원인 다량의 “라듐 에머네이션(라듐 방출)”(R)을 배치했다. 관의 반대쪽 끝은 형광판 (Z)으로 덮었다. 관의 중앙에는 0.9 mm 폭의 슬릿을 설치했다. R로부터의 입자는 슬릿을 통과하여 판 위에 선명한 반점을 생성했다. 신티레이션을 카운트하고 퍼짐 정도를 측정하기 위해 현미경 (M)을 사용했다. 가이거는 관의 공기를 전부 펌프로 빼서 알파 입자를 방해하지 않도록 하고, 슬릿의 형태에 대응하는 선명하고 또렷한 이미지가 판 위에 남도록 했다. 다음에 관에 약간의 공기를 남기고, 판 위의 반점이 더 확산되도록 했다. 그 후 다시 펌프로 공기를 빼고 AA의 슬릿에 몇 개의 금박을 놓았다. 이에 따라 반점은 다시 확산되게 되었다. 이 실험을 통해 공기에 의해서도 고체에 의해서도 알파 입자는 틀림없이 산란된다는 것을 보여주었다. 그러나, 이 장치에서는 편향의 각도가 작은 것밖에 검출할 수 없었다. 러더퍼드는 알파 입자가 90°를 넘는 더 큰 각도로 산란되지 않는지 알고 싶어 했다.[84]

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1909년 실험에서 가이거와 마스덴은 알파 입자를 90° 이상으로 산란시키는 실험을 했다.[85] 이 실험에서는 작은 원추형 유리관 (AB)에 "라듐 에마네이션(라돈)", "라듐 A" (진정한 라듐), "라듐 C" (비스무트-214)를 넣고 개구부를 운모로 밀봉했다. 이것이 입자 방출원이다. 또한 납판 (P)을 준비하고 그 아래에 형광판 (S)을 놓았다. 관은 납판 위에 고정하여 방출된 알파 입자가 형광판에 직접 닿지 않도록 했다. 그럼에도 불구하고 형광판에서 몇몇 섬광이 관찰되었다. 이것은 대기 중의 분자에서 튕겨져 나온 알파 입자가 납판을 피해서 닿았기 때문이다. 그들은 다음에 금속 박 (R)을 납판 측면에 놓았다. 관을 박의 방향으로 향하게 하고 알파 입자가 박에서 튕겨져 납판 뒷면에 있는 형광판에 닿는지 확인한 결과, 비슷한 섬광이 관찰되었다. 그 수를 세어보니, 원자량이 큰 금박 등에서는 가벼운 알루미늄 박에 비해 더 많은 알파 입자가 반사되는 것을 알 수 있었다. 가이거와 마스덴은 반사되어 오는 알파 입자의 비율을 계산하려 했다. 그러나 이 설정에서는 관 안의 방사성 물질이 여러 개 있어서 방출되는 알파 입자의 비정[86]이 제각각이었고, 알파 입자의 방출 속도를 확정하기 어려웠다. 이번에는 납판 위에 라듐 C (비스무트-214)만 소량 놓고 알파 입자가 반사판 (R)에서 튕겨 형광판에 도달하도록 했다. 반사판에 맞은 입자 중 형광판에 도달한 입자의 비율은 아주 약간 (이 경우에는 1/8000)에 불과했다.[85]

가이거의 1910년 논문에 기술된 장치. 박막의 재질과 두께에 따른 산란의 영향을 정확하게 측정하기 위해 설계되었다.

1910년 실험에서 가이거는[87] 입자가 통과하는 물질, 그 물질의 두께, 입자의 속도에 근거하여 알파 입자가 편향되는 확률이 최대인 각도(최대 가능 각)를 구하기 위한 실험을 기술하였다. 그는 공기를 뺀 기밀 유리관을 만들었다. 이 한쪽 끝에는 "라듐 에마네이션"(라돈-222)을 넣은 밸브 (B)를 부착했다. B 안의 라돈은 수은을 사용하여 얇은 유리 파이프로 흡입되었다. 그 끝 A는 운모로 막혀 있다. 관의 다른 쪽 끝에는 형광 황화 아연을 칠한 판을 놓았다. 판상의 신틸레이션을 세기 위한 현미경에는 부척(버니어)이 달린 수직 밀리미터 눈금이 설치되어 있어, 가이거는 스크린상의 빛의 위치를 정확하게 측정하고, 이를 통해 입자의 편향 각도를 계산할 수 있었다. A에서 방출된 알파 입자는 D의 작은 구멍으로 좁혀져 빔이 된다. 가이거는 경로 D에서 E 사이에 금속 박막을 놓고 그로 인한 빛의 위치 변화도 관찰했다. 또한, 운모나 알루미늄 시트를 A에 놓고 알파 입자의 속도를 바꿀 수도 있었다.

이 측정에서 가이거는 다음과 같은 결론을 내렸다.

  • 물질의 두께가 증가하면, 편향각의 최댓값은 커진다.
  • 편향각의 최댓값은 물질의 원자량에 비례한다.
  • 알파 입자의 속도가 증가하면, 편향각의 최댓값은 작아진다.
  • 입자가 90°를 넘어 편향될 확률은 0에 가까울 정도로 작다.


자신의 모형을 검증하기 위해 러더퍼드는 모든 양전하가 원자의 중심에 집중되어 있다고 가정하고 금박막에서 나오는 알파 입자의 다양한 각도에서의 세기를 예측하는 과학적 모형을 개발했다. 이 모형은 1913년에 수행된 실험에서 검증되었다. 그의 모형은 톰슨의 베타 산란 결과와 가이거와 마스덴의 알파 산란 결과를 모두 설명했다.[11]

3. 3. 실험 결과

대부분의 알파 입자는 금속 박막을 그대로 통과했지만, 일부는 큰 각도로 산란되거나 심지어 되튕겨 나오는 현상이 발견되었다.[16] 이러한 실험 결과는 톰슨의 원자 모형으로는 설명될 수 없었다.[16] 톰슨의 모형에 따르면 모든 알파 입자는 곧게 통과해야 했다.

왼쪽: 톰슨의 모형이 옳았다면, 모든 알파 입자는 최소한의 산란으로 금속박막을 통과했을 것이다.
오른쪽: 한스 가이거와 어니스트 마스든이 관찰한 것은 소수의 알파 입자가 강하게 굴절되었다는 것이다.


어니스트 러더퍼드와 공동 연구자 한스 가이거, 어니스트 마스든은 실험을 통해 대부분의 α입자는 2-3˚의 각도로 산란되지만 약 8,000개 중의 1개 정도는 90-180˚가까이까지 산란된다는 것을 발견하였다.[76]

관찰된 극심한 산란은 러더퍼드로 하여금 원자 모형을 수정하도록 강요했다.[33] 톰슨의 모형에서 문제는 전하가 너무 분산되어 충분히 강한 정전기적 힘을 생성하여 그러한 반발을 일으킬 수 없다는 것이었다. 따라서 그들은 더 집중되어야 했다.

가이거와 마스덴이 금속 박막에 알파 입자를 쐈을 때, 90° 이상 편향된 것은 극히 일부였다. 대부분은 똑바로 통과했다. 이것은 여러 개의 강한 양전하를 띤 작은 구체가 큰 빈 공간으로 분리되어 있음을 의미했다.[77]

4. 러더퍼드의 원자 모형

어니스트 러더퍼드는 알파 입자 산란 실험 결과를 바탕으로 새로운 원자 모형을 제안했다. 이 모형은 원자 가운데에 원자 질량 대부분을 차지하는 원자핵이 있고, 그 주위를 태양과 행성의 관계처럼 전자가 돌고 있다는 것이다.[20][11] 이는 톰슨의 건포도 푸딩 모형과는 달리, 원자 내부에 양전하가 집중된 작은 영역(원자핵)이 존재함을 보여준다.

4. 1. 원자핵의 발견

뉴질랜드 출신인 영국의 물리학자 어니스트 러더퍼드는 알파 입자(방사능에 의하여 생기는 헬륨 원자핵)를 사용하여 실험적으로 원자의 구조를 확인하고자 하였다. 그 실험은 α입자를 얇은 금박 등에 쏘아서 산란되는 상태를 조사하는 것이었다. 만약 톰슨의 건포도 푸딩 모형이 맞았다면 알파입자는 전자보다 무겁기 때문에 방향을 살짝 바꿀뿐 대부분 금박을 통과할것이다. 하지만 러더퍼드와 공동연구자들은 실험 결과 알파 입자 중 일부가 어떤 물체에 튕겨 나온다는 것을 발견하였다. 그 결과를 바탕으로 러더퍼드는 원자 가운데에 원자의 질량 대부분을 차지하는 원자핵이 있고 양성자와 중성자로 이루어져 있다는 것을 증명하였다. 러더퍼드와 공동 연구자 한스 가이거와 어니스트 마즈든은 대부분의 α입자는 2-3˚의 각도로 산란되지만 약 8,000개 중의 1개 정도는 90-180˚가까이까지 산란된다는 것을 발견하였다.[20][11] 이와 같은 실험 결과는 원자 속에서 원자핵이라는 원자의 질량 대부분을 차지하는 양전하 부분이 반지름 10pm 정도의 작은 부피에 집중되어 있고, 그 둘레를 태양과 행성의 관계처럼 전자가 돌고 있다는 모형으로밖에 설명할 수 없다. 이것을 러더퍼드의 원자 모형이라고 한다. 1911년경 러더퍼드에 의해 원자의 구조가 처음으로 밝혀짐으로써 톰슨 모형은 정확하지 않다는 것이 증명되었다.

구름 상자에서, 210Pb 방사선원 (1)에서 나온 5.3 MeV 알파 입자의 궤적은 러더퍼드 산란(2)을 겪어 약 30°의 각도로 굴절된다. 그것은 다시 한 번 산란(3)하고, 마침내 기체 속에서 멈춘다. 표적 핵은 반동하여 짧은 궤적(2)을 남긴다. (cm 눈금)


초기의 영향은 산란 실험에 대한 새로운 집중을 장려하는 것이었다. 예를 들어, C.T.R. 윌슨의 구름 상자에서 얻은 최초의 결과는 알파 입자 산란을 보여주었고, 1911년에 발표되었다.[20][11] 시간이 지남에 따라 입자 산란은 이론 물리학과 실험 물리학의 주요 측면이 되었다.[37] 러더퍼드의 "단면적" 개념은 현재 실험 입자 물리학의 설명을 지배하고 있다.[21] 역사학자 실반 S. 슈웨버는 러더퍼드의 접근 방식이 물리학의 모든 상호 작용과 측정을 산란 과정으로 간주하는 방향으로의 전환을 나타냈다고 제안한다.[22] 1912년 러더퍼드가 도입한 용어인 핵[9]이 원자핵의 핵심으로 받아들여진 후, 알파 입자 산란에 대한 러더퍼드의 분석은 핵물리학이라는 새로운 물리학 분야를 창출했다.[9]

1906년, 러더퍼드는 마이카 시트를 통과하는 알파 입자가 시트에 의해 최대 2도까지 편향된다는 것을 알아냈다. 러더퍼드는 좁은 슬릿으로 끝나는 밀폐된 튜브에 방사성 물질을 놓고 그 뒤에 사진 건판을 두었다. 슬릿의 절반은 얇은 마이카 층으로 덮여 있었다. 튜브 주변의 자기장은 10분마다 변경되어 자기장에 민감한 것으로 알려진 베타선을 제거했다.[31] 튜브는 다양한 압력으로 진공 처리되었고 일련의 이미지가 기록되었다. 최저 압력에서 열린 슬릿의 이미지는 선명했지만, 더 높은 압력에서 마이카로 덮인 슬릿 또는 열린 슬릿의 이미지는 흐릿했다. 러더퍼드는 이 결과를 1906년에 발표된 논문에서 알파 입자 산란[11]으로 설명했다.[32] 그는 이미 원자 모델에 대한 관찰의 의미를 이해하고 있었다. "그러한 결과는 물질의 원자가 매우 강렬한 전기력의 근원임이 분명하다는 사실을 명확히 보여준다".[32][33]

1908년 가이거의 논문 "물질에 의한 알파 입자의 산란에 관하여"는 다음 실험을 설명한다. 그는 거의 2미터 길이의 긴 유리관을 만들었다. 튜브의 한쪽 끝에는 알파 입자의 원천인 "라듐 에미네이션"(R)이 있었다.[33] 튜브의 반대쪽 끝은 형광 스크린(Z)으로 덮여 있었다. 튜브 중간에는 0.9mm 너비의 슬릿이 있었다. R에서 나온 알파 입자는 슬릿을 통과하여 스크린에 빛나는 빛의 패치를 만들었다. 현미경(M)을 사용하여 스크린의 섬광을 세고 그 확산을 측정했다. 가이거는 알파 입자가 방해받지 않도록 튜브에서 모든 공기를 빼냈고, 슬릿의 모양에 해당하는 깔끔하고 좁은 이미지를 스크린에 남겼다. 그런 다음 가이거는 튜브에 약간의 공기를 넣었고, 빛나는 패치는 더 넓게 퍼졌다. 가이거는 그런 다음 공기를 빼고 슬릿 AA 위에 금박 한두 겹을 놓았다. 이것 또한 스크린의 빛의 패치가 더 넓게 퍼지게 했고, 두 겹의 경우 더 넓게 퍼졌다.[33] 이 실험은 공기와 고체 물질 모두 알파 입자를 현저하게 산란시킬 수 있음을 보여주었다.[34][33]

위의 실험 결과에 기초하여, 1911년에 러더퍼드는 기념비적인 논문 『''α 및 β 입자의 물질에 의한 산란과 원자의 구조''』를 발표했다. 그 안에서 그는 원자의 중심에는 작고 강인한 전하의 덩어리가 있다고 언급했다(사실 러더퍼드의 계산에서는 전하를 점으로 취급하고 있다)[88]。

수학적 계산을 위해, 그는 이 중심 전하는 양(플러스)이라고 가정했다. 그러나 러더퍼드도 이 사실을 증명하지 못했고, 추가 실험을 기다리게 되었다.



1911년 논문에서 러더퍼드는 원자 중심의 전하를 양(+)이라고 가정했지만, 그 점은 확실하게 단정할 수 없다고 인정했다. 양이든 음이든, 산란 모델에는 부합했기 때문이다[93]。

다른 실험의 결과를 얻어 그의 확신은 깊어졌다. 1913년 논문[94]에서 러더퍼드는 여러 기체 속의 알파 입자 산란을 시도하는 실험 결과로부터, (그가 그렇게 부르기 시작했던) "원자핵"은 양전하를 띤다고 결론지었다.

1917년에 러더퍼드와 조수 윌리엄 케이는 기체의 수소와 질소 속의 알파 입자의 비행 궤적을 검토했다. 어떤 실험에서는 알파 입자 빔을 수소에 쏘면 수소 원자핵이 빔의 후방이 아니라 전방으로 튕겨져 나왔다. 알파 입자 빔을 질소에 쏘면 질소 원자핵으로부터 수소 원자핵(즉, 양성자)이 튕겨져 나왔다[95]。

4. 2. 전자의 궤도

러더퍼드는 원자 가운데에 원자 질량 대부분을 차지하는 원자핵이 있고, 그 둘레를 전자가 돌고 있다는 모형을 제시했다. 이는 태양과 행성의 관계와 유사하다.[33]

4. 3. 러더퍼드 산란 공식



러더퍼드는 원자 중심에 양전하가 집중되어 있을 때, 얇은 박막에 의한 알파 입자 산란을 모델화하는 수학 공식을 유도했다.[88] 이 공식은 다음과 같다.



s = \frac {Xnt\csc^4\tfrac {\phi}{2}}{16r^2} \cdot \left(\frac {2Q_n Q_{\alpha}}{mv^2}\right)^2


  • ''s'' = 편향 각도 ''Φ''에서 단위 면적에 떨어지는 알파 입자 수
  • ''r'' = 산란 물질에 α선이 입사하는 지점으로부터의 거리
  • ''X'' = 산란 물질에 떨어지는 총 입자 수
  • ''n'' = 물질의 단위 부피 내 원자 수
  • ''t'' = 박막의 두께
  • ''Q'' = 원자핵의 양전하
  • ''Q'' = 알파 입자의 양전하
  • ''m'' = 알파 입자의 질량
  • ''v'' = 알파 입자의 속도


이 공식은 가이거가 측정한 결과를 잘 예측했다. 작은 각도로 산란될 확률은 큰 각도로 산란될 확률보다 훨씬 컸는데, 이는 빈 공간으로 둘러싸인 작은 핵을 반영한다. 그러나 드물게 매우 가까이 접근하는 경우, 단 하나의 표적만으로도 큰 각도 산란이 발생한다.[47]

러더퍼드 단면적 공식을 개발하면서 러더퍼드는 이 결과가 단일 산란에 적용되므로 얇은 박막에서 측정해야 함을 강조했다. 얇은 박막의 경우 산란 정도는 가이거의 측정과 일치하게 박막 두께에 비례한다.[36]

1911년 논문(전술)에서 러더퍼드는 원자 중심의 전하를 양(+)이라고 가정했지만, 그 점은 확실하게 단정할 수 없다고 인정했다. 양이든 음이든, 산란 모델에는 부합했기 때문이다.[93]

5. 러더퍼드 모형의 의의와 한계

어니스트 러더퍼드는 알파 입자 산란 실험을 통해 조지프 존 톰슨의 원자 모형이 옳지 않다는 것을 증명하고, 새로운 원자 모형을 제시했다.[16] 톰슨의 모형은 원자 내부에 양전하가 퍼져 있고 전자가 박혀 있는 형태였지만, 러더퍼드의 실험 결과는 원자 중심에 양전하와 질량이 집중된 핵이 존재하고 그 주위를 전자가 돌고 있다는 것을 보여주었다.[31]

러더퍼드는 1911년에 발표한 논문에서 자신의 실험 결과를 바탕으로 원자 모형을 제시했다.[21][36] 그는 원자 질량의 대부분이 작은 핵에 집중되어 있고, 이 핵이 양전하를 띠고 있다고 가정했다. 훗날 케임브리지 대학교의 강의에서 러더퍼드는 자신의 발견을 "15인치 포탄을 얇은 종이에 쏘았더니, 튕겨져 나와 자신을 맞은 것"과 같다고 비유하며, 이는 원자 질량의 대부분이 작은 핵에 집중되어 있음을 보여주는 것이라고 설명했다.[96]

가이거와 마스덴은 알파 입자의 확산 반사 실험을 진행했다. 이들은 방사성 물질(라듐과 그 붕괴 생성물)을 포함한 유리 튜브, 납판, 형광 스크린, 금속 호일(납, 금, 주석, 알루미늄, 구리, 은, 철, 백금)을 사용하여 알파 입자가 금속 호일에 반사되어 스크린에 부딪히는 현상을 관찰했다. 그 결과, 원자 질량이 높은 금속(금)이 가벼운 금속(알루미늄)보다 더 많은 알파 입자를 반사한다는 것을 발견했다.[68][33]

러더퍼드의 모형은 원자핵의 존재를 밝혔지만, 전자의 배열에 대한 구체적인 설명은 부족했다.

#러더퍼드 산란

5. 1. 핵물리학의 탄생

어니스트 러더퍼드는 원자핵을 발견하여 핵물리학이라는 새로운 분야를 개척했다. 러더퍼드는 알파 입자(α)를 얇은 금박에 쏘는 실험을 통해, 대부분의 알파 입자는 그대로 통과하지만 일부는 튕겨 나오는 현상을 발견했다.[96] 이는 원자 내부에 질량이 집중된 작은 영역, 즉 원자핵이 존재함을 의미한다.

이 발견은 조지프 존 톰슨의 건포도 푸딩 모형이나 나가오카 한타로의 토성형 원자 모형과는 달리, 원자의 대부분의 질량과 양전하가 중심에 집중된 핵에 있고, 그 주위를 전자가 돌고 있다는 러더퍼드 모형을 제시하는 기반이 되었다.[11]

아서 에딩턴은 러더퍼드의 발견을 데모크리토스가 원자를 제안한 이후 가장 중요한 과학적 성과라고 평가했다.[81] 러더퍼드의 원자핵 발견은 핵물리학의 시작을 알리는 중요한 사건이었다.

5. 2. 후속 연구

러더퍼드의 원자 모형은 이후 닐스 보어의 양자역학적 원자 모형으로 발전하는 데 중요한 기반을 제공하였다.[96] 러더퍼드의 발견은 핵물리학의 시작을 알리는 중요한 사건이었다.

한국의 핵물리학 연구는 일제강점기부터 시작되었다. 1930년대 말에서 1940년대 초에 걸쳐 경성제국대학(현 서울대학교) 이화학연구소에서 한국 최초의 사이클로트론이 건설되었다.

5. 3. 한계점

러더퍼드의 핵 모형은 전자를 명시적으로 무시했고, 전자에 대한 나가오카 한타로의 토성형 모형은 기계적으로 불안정하다는 이유로 이전에 거부되었다는 점에서 한계점을 지녔다.[9] 또한, 화학에 대한 원자 분광법의 잠재적 의미도 무시했다.[9] 러더퍼드 자신은 자신의 원자 모형에 대한 주장을 적극적으로 펼치지 않았다.[23]

러더퍼드의 모형은 양전하가 원자 전체에 퍼져 있지 않고, 원자 전체보다 훨씬 작은 핵에 집중되어 있다는 점을 강조했다. 이로 인해 표면 근처에 훨씬 더 강한 전기장이 생성되었고, 알파 입자가 최대 180°까지 굴절될 수 있었다.[31] 그러나 전자는 핵을 둘러싸고 원자의 부피 전체에 퍼져 있었기 때문에, 음전하가 분산되고 결합된 질량이 낮아 알파 입자에 미미한 영향을 미쳤다.[31]

6. 현대의 원자 모형

어니스트 러더퍼드는 실험 결과를 바탕으로 1911년에 "물질에 의한 α 및 β 입자의 산란과 원자의 구조"라는 논문을 발표했다. 이 논문에서 러더퍼드는 원자 중심에 매우 작고 강한 전하가 집중되어 있어, 알파 입자가 이 중심 전하에 의해 튕겨 나가는 현상(단일 산란)을 설명했다. 그는 수학적 계산을 위해 중심 전하를 양(+)으로 가정했지만, 실험적으로 증명하지는 못했다.[36]

러더퍼드는 알파 입자가 원자핵에 접근하면서 제곱 반비례 법칙에 따라 전위 에너지를 얻는다고 가정했다. 알파 입자와 핵이 정면으로 충돌하면 모든 운동 에너지가 전위 에너지로 바뀌고, 입자는 멈췄다가 되돌아간다.[16]

알파 입자와 원자 간의 정면 충돌. 원자 반경은 100pm이고, 최소 정지 거리는 10fm 정도이다.


입자가 중심에서 r_{\text{min}} 거리에서 멈출 때, 전위 에너지는 원래 운동 에너지와 같다.[40][41]

:\frac{1}{2} mv^2 = k \frac{q_a q_g}{r_\text{min}}

여기서 k = \frac{1}{4\pi \epsilon_0}이다.

이 식을 정리하면 다음과 같다.[36]

:r_\text{min}} = k \frac{2 q_a q_g}{mv^2}

알파 입자의 경우, 질량(m)은 , 전하(q_a)는 , 금의 전하(q_g)는 , 초기 속도(v)는 이다. 이를 대입하면 알파 입자가 핵 중심에 접근하는 최소 거리(r_\text{min})는 약 (27fm)이다. 실제 금 원자핵의 반지름은 약 7.3fm인데, 알파 입자는 이보다 더 가까이 접근하지 못하므로 핵의 실제 크기는 알 수 없었다.

러더퍼드의 원자 모델에 대한 전위 에너지 다이어그램.


러더퍼드의 1911년 논문[36]은 양전하 구체와의 정면 충돌에 대한 다른 공식도 제시했다.

:\frac{1}{2}mv^2 = NeE \cdot \left (\frac{1}{b} - \frac{3}{2R} + \frac{b^2}{2R^3} \right )

여기서 e는 기본 전하, N은 핵의 전하수(원자 번호), E는 알파 입자의 전하, b는 반전점 거리(위의 r_\text{min}), R은 원자의 반지름이다.

7. 같이 보기

참조

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