원자핵의 구성 > 자유 게시판

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

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

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.

해물리학에 대한 뛰어난 업적으로 러더퍼드는 해물리학의 아버지로 불린다.
그림은 러더퍼드 가문의 문장. <출처: A1 Artdvark. at en.wikipedia.com>