러더퍼드 알파 입자 산란 실험 (원자핵 발견)

러더퍼드의 알파입자 산란 실험

러더퍼드(Rutherford)는 전자를 발견한 톰슨의 제자인데요, 톰슨이 전자를 발견하고 제안한 건포도 푸딩 모델의 원자 모형을 확인하고자 아래와 같은 이미지의 알파입자 산란 실험을 하게 됩니다. 알파 입자를 금박에 충돌시켜서 입자가 통과하는 것을 보려고 한 실험입니다.

러더퍼드의 알파입자 산란실험, 이미지 출처: astrocosmos.weebly.com

 

이 실험에서 금박이 사용된 이유는 금(Au)이 펴지는 성질, 다시 말해 전성(malleability)이 매우 좋은 금속이기 때문에 얇게 펴서 금박을 만들기에 용이해서입니다. 얇게 펴진 호일 상태로 만들어야 표면에서 산란되지 않고 입자가 통과할 것이라 생각해서죠. 그리고, 이 포스팅을 읽기 전에 톰슨이 전자를 발견한 음극선 실험을 알면 도움이 됩니다. 아래 포스팅을 참고하면 되겠습니다.

2023.11.30 - [과학] - 음극선의 성질 3가지 (Cathode rays)

음극선의 성질 3가지 (Cathode rays)

 

 

알파 입자란 (Alpha particle, Alpha ray)

우선 이 실험을 이해하기 위해서 알파 입자라는 것을 알아야겠죠. 우라늄(원소기호 U, Uranium) 같은 방사성 물질이 질량수가 4가 감소하면서 붕괴하는 것을 알파 붕괴(Alpha decay)라고 하는데요, 이때 방출되는 것이 알파입자입니다. 양성자 2개와 중성자 2개로 구성되어 있기 때문에 헬륨 원자핵과 동일한 구성이 되는데요, 헬륨 원자가 전자 2개를 모두 잃은 상태, 즉 헬륨 원자핵을 의미하는 것으로 이해하면 되겠습니다. 러더퍼드는 이 알파입자를 금박에 충돌시키는 실험을 한 것입니다.

알파 입자, 질량수 4가 감소하는 알파 붕괴 시 방출된다. 이미지 출처: atomicarchive.com

 

 

알파입자 산란 실험 예측과 결과

톰슨이 음극선 실험 후에 제안한 건포도 푸딩 원자모형은 (+) 전하가 골고루 퍼져있는 원자 속에 (-) 전하를 띠고 있는 전자가 군데군데 박혀있는 것처럼 표현되어 있기 때문에 알파 입자를 통과시키게 된다면 아주 일부의 알파입자들이 전자와 충돌하면서 약간은 휠 수가 있겠지만, 기본적으로 모든 알파 입자들이 직진하여 통과할 것으로 예측하였습니다. 하지만, 위의 실험 이미지를 보면 알 수가 있듯이 대부분의 알파 입자가 금박을 통과하여 직진하였고, 일부 입자는 약간의 굴절이 나타났으나 극소수의 알파 입자가 튕겨져 나오는 것이 관찰됩니다. 따라서, 이 실험에서 아래의 두 가지를 알게 된 것이죠.

• 대부분의 알파 입자가 금박을 그대로 통과하여 직진 : 원자는 대부분 비어 있다.
• 극소수의 알파 입자가 경로가 크게 휘거나 튕겨져 나온다. : 원자 중심부에 부피가 매우 작고 질량의 대부분을 차지하며 (+) 전하를 띠는 부분이 존재한다. 만약 (-) 전하였다면 알파 입자와 충돌하면서 튕겨져 나오지 않고 흡수가 되었을 테니 말입니다.

 

톰슨모델과 러더퍼드 모델에서 알파 입자 산란 실험의 예측과 실제, 이미지 출처: keystagewiki.com

 

 

러더퍼드의 원자 모형

위의 알파 입자 산란 실험에 대한 결과에 따라 원자에는 (+) 전하를 띠고 있는 원자핵이 있는 것을 알게 되었죠. 그리고, 원자핵 주위를 전자가 돌고 있는 원자 모형이 제안됩니다. 아래 이미지와 같이 톰슨 모형과 비교해 보면 되겠고, 그 이후에 어떻게 변화되었는지도 함께 볼 수 있습니다.

톰슨 모형과 러더퍼드 원자 모형, 이미지 출처: 위키백과