[원자구조] 러더퍼드 알파입자 산란 실험 - 원자핵의 발견

[원자핵의 발견 - 러더퍼드의 알파입자 산란 실험]

J.J 톰슨은 '음극선 실험' 결과를 통해 원자는 양으로 하전된 입자에 전자가 박혀 있는 푸딩 원자 모형을 발표했습니다. 기존 돌턴이 주장한 원자 모형에서 상당히 진보된 주장을 한 것이죠.

이에 영국의 과학자 러더퍼드는 자신의 동료인 가이거, 마르스덴과 함께 톰슨의 원자 모형의 타당성을 알아 보기 위한 실험을 구상합니다.

어니스트 러더퍼드(1871~1937)

그들은 두께를 2만분의 1cm 정도로 얇게 만든 금박에 α입자를 쏜 후 금박을 통과하는 α입자의 괘적을 추적하는 이른바 'α입자 산란 실험'을 진행합니다. 

α입자 : 방사선 원소인 라듐이 핵붕괴를 하는 과정에서 방출되는 양성자 2개, 중성자 2개로 구성된 밀도가 큰 입자입니다. 러더퍼드는 α입자 산란실험 중 선스펙트럼의 결과  α입자선에서 헬륨의 핵과 동일한 스펙트럼을 확인하여 α입자가 '헬륨핵' 과 동일한 입자임을 확인합니다.

러더퍼드의 생각은 이렇습니다.

α입자를 얇은 금박에 입사시킨다면, 비록 양전하와 전자가 존재하는 원자를 통과하더라도 그 영향이 미미하기 때문에 괘적의 큰 변화 없이 원자를 통과할 것으로 예상했습니다..

[알파입자 산란실험 장치]

[예상과는 다른 결과 - 원자핵의 발견]

[알파입자 산란 실험]

그러나 실험의 결과, 자신의 예측과는 다른 결과를 얻게됩니다.

대부분의 α입자는 금박을 통과하지만 극히 일부 (8000개 중 1개 정도)의 비율로 괘도가 꺾이거나

아주 심한 경우에는 경로를 되돌아 오는 입자의 흔적도 발견하게 된 것입니다.

[알파입자가 산란하는 이유]

이 실험 결과를 깊이 연구한 러더퍼드는 '원자의 중심에는 아주 작은 공간에 아주 무겁고 양전하를 띄는 입자가 있는데, 이것이 원자핵'이라는 결론을 내리게 됩니다.

이 실험의 결과 러더퍼드는 기존 톰슨이 제시한 원자 모형에서 한발 더 발전한 형태의 원자 모형을 제시합니다. 러더퍼드는 원자의 중심에 원자핵이 존재하고 그 주변을 전자가 돌고 있는 '유핵 모형'을 제시하게 됩니다.

[러더퍼드가 제안한 '유핵 모형']