원자핵을 발견한 러더퍼드, 알파입자를 이용한 충돌 실험을 계속했다

[엠페러]

1909년의 금박 실험을 통해 원자 안에는 플러스 전기를 띤 원자핵이라는 작은 알갱이가 있고, 그 주위를 마이너스 전기를 띤 아주 작은 전자들이 돌고 있다는 것을 알게 된 러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871~1937)는 그 후에도 원자를 향해 알파입자를 발사하는 실험을 계속하고 있었다. 러더퍼드는 그의 스승이었던 J. J. 톰슨(Joseph John Thomson, 1856~1940)이 1919년에 케임브리지 대학의 캐번디시 연구소 소장 자리에서 물러나게 되자 그 자리를 이어받았다. 그가 질소 기체를 가득 채운 유리관을 향해 알파입자를 발사하는 실험을 한 것은 그곳에서였다.

원자핵을 발견하기는 했지만 아직은 원자핵에 대해서 잘 모르고 있었기 때문에 알파입자와 원자핵의 충돌로 별다른 일이 일어날 것이라고는 생각하지 않았다. 그러나 질소 기체를 향해 알파입자를 발사하는 실험을 하던 러더퍼드는 질소 기체에 수소가 섞여 있는 것을 발견했다. 알파입자를 발사하기 전에는 수소가 포함되어 있지 않았었다. 그렇다며 이 수소는 어디에서 왔단 말인가? 1914년에 러더퍼드는 수소 원자핵이 모든 양전하를 가진 입자 중에서 가장 작은 알갱이라는 것을 밝혀냈었다. 그러나 여전히 수소 원자핵이 다른 원자핵을 구성하는 알갱이라는 것은 알지 못하고 있었다.

그러나 실험결과는 질소 원자핵과 알파입자가 충돌하여 질소 원자핵이 깨지면서 수소 원자핵이 나왔다는 것을 알려주고 있었다. 그것은 질소 원자핵 속에 수소 원자핵이 들어 있었다는 것을 뜻하는 것이었다. 러더퍼드는 이런 사실을 바탕으로 모든 원자의 원자핵 속에 수소 원자핵인 양성자가 들어 있다고 결론지었다.

첫 번째 결론, 원자가 깨진 것처럼 원자핵도 깨졌다

이 실험은 원자와 원자핵을 이해하는 데 필요한 두 가지 중요한 사실을 알게 해 준 중요한 실험이었다. 첫 번째는 인공적으로 원자를 쪼개는 것이 가능하다는 것을 알게 해 준 실험이었다. 원자라는 말은 쪼개지지 않는 입자라는 뜻이 있었다. 따라서 오랫동안 원자는 더는 쪼개지지 않는 가장 작은 알갱이라고 믿어져 왔었다. 그러나 원자 내부에도 원자핵과 전자가 들어 있다는 것이 밝혀지면서 원자도 쪼개질 수 있을 것이라는 생각을 하는 과학자들이 많이 있었지만, 실제로 실험을 통해 원자핵을 쪼갠 것은 이때가 처음이었다. 신문들은 러더퍼드가 원자를 쪼갰다는 기사를 크게 다뤘다. 신문에는 “내가 믿는 것처럼 정말 원자핵을 쪼갰다면, 그것은 매우 중요한 일이다.”라고 말한 러더퍼드의 인터뷰 기사도 실렸다.

두 번째 결론, 원자핵에는 양성자라는 알갱이가 존재한다

이 실험을 통해 또 하나 알게 된 것은 양성자라는 알갱이의 존재였다. 원자핵이 플러스 전기를 띠고 있다는 것은 실험을 통해 알고 있었지만, 수소의 원자핵인 양성자가 원자핵의 주요 구성요소라는 것은 알지 못하고 있었다. 이 실험을 통해 러더퍼드는 수소 원자핵인 양성자가 모든 원자핵을 구성하는 기본적인 입자라는 것을 알게 되었다. 다시 말해 이 실험은 양성자를 발견한 실험이었다.

원자핵에는 양성자가 있고, 그 주변을 같은 수의 전자가 돌고 있다

러더퍼드는 원자핵 속에 들어 있는 양성자의 수가 원자핵 주위를 도는 전자의 수와 정확하게 같다는 것을 알아냈다. 양성자의 발견으로 원자와 원자핵의 구성에 대해 많은 것을 알게 되었다. 양성자는 전자와 똑같은 양의 전하를 가지고 있지만 무게는 훨씬 무겁다. 무거운 양성자는 원자핵을 만들고 가벼운 전자는 그 주위를 돌고 있다.

하지만 이것만으로는 원자의 성질을 모두 설명할 수 없었다. 원자가 전기적으로 중성이 되기 위해서는 원자핵에 들어 있는 양성자의 수와 원자핵 주위를 도는 전자의 수가 같아야 한다. 그러나 원자핵의 무게는 원자핵에 들어 있는 양성자의 무게보다 훨씬 무거웠다. 이것은 풀 수 없는 수수께끼처럼 보였다. 양성자로 이루어진 원자핵과 그 주위를 도는 전자 외에도 원자를 구성하는 제3의 알갱이가 있는 것이 아닐까?

원자를 이루는 제3의 알갱이인 중성자, 채드윅이 찾아내

원자를 이루는 제3의 알갱이인 중성자를 발견하여, 원자의 수수께끼를 풀어낸 사람은 러더퍼드의 제자였던 제임스 채드윅(James Chadwick, 1891~1974)이었다. 하지만 중성자를 발견하게 된 실험을 먼저 했던 사람은 방사능에 관한 연구에 일생을 바친 마리 퀴리(퀴리 부인)의 딸과 사위였다. 마리 퀴리의 딸이었던 이레느 졸리오 퀴리(Irene Joliot-Curie, 1897~ 1956)와 그녀의 남편인 프레데릭(Frederic Joliot-Curie, 1900~1958)도 러더퍼드와 마찬가지로 원자핵에 알파입자를 충돌시키는 실험을 하고 있었다. 그들은 알파입자를 원자핵에 충돌시킬 때 정체를 알 수 없는 입자가 나온다는 것을 알게 되었다. 이 정체 모를 입자가 수소 원자핵과 부딪히면 수소 원자핵(양성자)이 초속 수 킬로미터의 속력으로 날아간다는 것을 발견했다. 하지만 그들은 이 새로운 알갱이의 정체를 규명하는 데는 성공하지 못했다.

러더퍼드의 제자였던 채드윅은 이 새로운 입자의 정체를 알아내는 실험을 시작했다. 채드윅은 몇 가지 실험을 통해 이 입자가 양성자와 거의 같은 무게를 가지며, 전기적으로 중성이라는 것을 알아냈다. 채드윅은 이것을 중성자라고 불렀다. 중성자가 발견된 것이다. 그것은 1932년의 일이었다. 이렇게 되어 원자를 구성하는 세 개의 입자가 모두 세상에 그 모습을 드러내게 되었다.

원자핵에는 양성자와 중성자가 들어 있다

중성자의 발견으로 원자의 수수께끼는 모두 풀렸다. 원자핵 속에는 양성자 외에도 중성자가 들어 있었던 것이다. 원자의 종류를 나타내는 원자번호는 원자핵 속에 들어 있는 양성자의 수를 나타내고, 원자의 무게를 나타내는 원자량은 원자핵 속에 들어 있는 양성자의 수와 중성자의 수를 합한 것이라는 것을 알게 된 것이다. 원자 속에는 같은 수의 양성자와 전자가 들어 있으므로 원자번호는 양성자의 수 또는 전자의 수를 나타낸다고 할 수도 있다. 하지만 원자가 전자를 얻거나 잃어도 원자의 종류가 바뀌는 것은 아니다. 원자가 전자를 얻거나 잃어 양성자의 수가 같지 않게 된 원자를 이온이라고 하는데 이때 원자의 종류, 즉 원자번호를 결정하는 것은 전자의 수가 아니라 양성자의 수이다. 따라서 원자의 종류는 원자핵 속에 들어 있는 양성자의 수에 의해 결정된다고 하는 것이 정확하다.

원자핵 속에 들어 있는 양성자와 중성자의 수가 일정한 비율을 이루고 있으면 원자핵은 안정한 원자핵이 되지만 이 비율에서 벗어나면 불안정한 원자핵이 된다. 원자번호가 작은 원자들에서는(수소는 예외) 양성자와 중성자의 수가 같을 때 안정한 원자핵이 되고, 원자번호가 큰 원자들에서는 양성자와 중성자의 수가 많을 때 안정한 원자핵이 된다. 예를 들어 산소 원자핵에는 여덟 개의 양성자와 여덟 개의 중성자가 들어 있지만 철 원자핵에는 26개의 양성자와 30개의 중성자가 들어 있다. 원자가 커질수록 중성자의 수가 더욱 많아져 우라늄 원자핵에는 92개의 양성자와 146개의 중성자가 들어 있다.

원자핵 안의 양성자의 수는 같지만, 질량수가 다른 것을 동위원소라 한다

같은 원자라고 해도 원자핵 안에 들어 있는 중성자의 수가 다 같은 것은 아니다. 같은 원자이면서 중성자의 수가 달라 원자량이 다른 원소를 동위원소라고 한다. 대부분의 원소는 안정한 동위원소와 불안정한 동위원소를 가지고 있다. 불안정한 동위원소들은 시간을 두고 일정한 비율로 붕괴하여 다른 원자핵으로 변환해 가는데 이것이 바로 방사성 붕괴이다. 수소 원소는 다른 원소와 달라 하나의 양성자로 된 원자핵이 안정한 원자핵이고 한 개의 양성자와 한 개의 중성자로 된 중수소핵이나 한 개의 양성자와 두 개의 중성자로 된 삼중수소핵은 불안정한 원자핵이다. 원자핵을 연구하던 러더퍼드를 비롯한 많은 과학자가 실험용으로 사용하던 알파입자는 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 이루어진 헬륨 원자의 원자핵이다. 두 개의 양성자와 두 개의 중성자 조합은 결합력이 강해 하나로 뭉쳐서 한 알갱이처럼 행동했기 때문에 알파입자라고 불리게 되었던 것이다.

러더퍼드의 실험 이후 20여 년, 비로소 원자를 구성하는 입자를 규명할 수 있었다 

1909년에 러더퍼드가 금박실험을 통해 원자핵의 존재를 밝혀내고 나서 20여 년 만에 원자와 원자핵을 구성하는 입자들이 모두 규명된 것이다. 그러나 원자와 원자핵에 대한 본격적인 연구는 이제 시작되었다고 할 수 있었다. 문장 끝에 찍히는 마침표 하나에도 약 400만 개의 원자가 들어갈 수 있을 만큼 원자는 작다. 그러나 원자핵에 비하면 원자는 궁궐이나 마찬가지이다. 이렇게 작은 원자핵 속에 엄청난 에너지가 들어 있다는 것을 알게 된 과학자들은 이 에너지를 꺼내 쓰는 방법을 연구하기 시작했고, 그러한 연구는 20세기 역사의 흐름을 바꿔 놓게 되었다.

글 곽영직 / 수원대학교 물리학과 교수

서울대학교 물리학과를 졸업하고 미국 켄터키대학교 대학원에서 박사학위를 받았다. 현재 수원대학교 물리학과 교수이다. 쓴 책으로는 [과학이야기] [자연과학의 역사] [원자보다 작은 세계 이야기] 등이 있다.

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