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선생님 편지

 

케빈과 함께 하는 양자역학 이야기-13(리더퍼드의 원자모형)


리더퍼드는 뉴질랜드 출신입니다. 뉴질랜드 출신인 리더퍼드가 영국에서 공부 할 수 있었던 것은 영연방에서 지급하는 장학금 때문이었다고 합니다. 그 장학금이 원래 1등에게 지급되는 것이었는데 1등이 영국에 가지 못할 상황이 돼서 2등이었던 리더퍼드가 장학금을 받고 영국에서 공부 할 수 있었다고 합니다.


리더퍼드의 별명은 악어였다고 합니다. 피터팬을 보면 시계를 삼킨 악어가 멀리 있어도 알 수 있듯이 리더퍼드의 목소리가 컸기 때문에 붙은 별명이라고 합니다. 리더퍼드는 제자들을 무척 사랑했는데 또한 엄한 선생님이기도 했다는 군요. 리더퍼드에 대한 위인전을 한 번 읽어 보고 싶어지지 않으세요...^^*


여하튼 톰슨을 대신하여 리더퍼드는 새로운 원자모형을 제시하는데 이때 그 유명한 금박실험을 한 것입니다. 리더퍼드는 천분의 1cm보다도 얇은 금박을 만들었다고 합니다. 금박을 금을 밀고 밀어서 아주 얇게 만든 것인데 리더퍼드는 이 금박에 알파선을 쏘면 어떤일이 벌어지는 지 알아보려고 했습니다. '왜 하필이면 금박이야.. 알루미늄 호일도 있는데 비싼 금을...'이라고 생각 하실 수도 있지요. 제가 찾아본 것에 의하면 가장 잘 펴지는 성질때문에 금을 선택했다고 합니다.


알파선이란 헬륨원자에서 전자 2개를 떼어낸 입자입니다. 아시다시피 헬륨은 전자가 2개밖에 없습니다. 그러니 그 2개 전자가 없으면 헬륨 원자핵 밖에 남는 것이 없습니다. 그 원자핵에는 양성자 2개와 중성자 2개(질량수가 4...무겁다..ㅋㅋㅋ)밖에 없지요. 하지만 리더퍼드 당시에는 중성자가 발견되지 않았었기 때문에(나중에 리더퍼드의 제자인 제임스 채드윅이 발견) 리더퍼드는 알파입자를 양성자로만 만들어진 알갱이라고 생각을 했습니다.


따라서 알파선은 당연히 양성자보다 훨씬 무겁습니다. 참 헬륨의 원자핵인 알파선이 알파선이라는 이름을 갖게 된 것은 당시에 원자핵에 대해 잘 몰랐기 때문에 입자가 발견되면 그냥 알파, 베타 식으로 이름을 붙였다고 합니다. 여하튼 리더퍼드는 금속박에 알파입자를 쏘고 무슨일이 일어나는 지 알아보려 했습니다. 알파입자는 전기적으로 안정된 원자 내부를 그대로 통과할 것이라고 예측했습니다. 실제 실험에서도 알파입자는 그대로 원자를 통과했습니다.


그러던 와중에 놀라운 일이 발생한 것이 약 8000개 중 하나 꼴로 알파입자가 발사된 반대 방향으로 크게 튕겨 나간 것입니다. 이를 두고 리더퍼드는 “포탄을 화장지에 대고 쏘았는데 그 포탄이 되돌아와 여러분을 맞힌 것만큼이나 믿기 힘든 일이었다”라고 합니다. 한번 상상을 해 보면 리더퍼드는 분명 톰슨의 원자모형을 머릿속에 그리면서 실험을 했을 것입니다.


그런데 실험결과는 전혀 예상 밖이었습니다. ‘튕겨 나가다니, 어떻게 된 일이지?’라고 생각 했을 것입니다. 오랜 시간을 고민 끝에 리더퍼드는 한타로의 ‘토성모형’을 수정하여 원자핵주위를 돌고 있는 전자의 모습을 한 새로운 원자모형을 제시하게 되지요. 마치 우리가 잘 알고 있는 태양계의 모습과 비슷하지요.


즉 원자 내부의 중심에는 원자핵이 있고 그 주위를 전자가 돌고 있는 것입니다. 현재 우리가 알고 있는 원자의 구조는 대부분 리더퍼드의 모형입니다. 하지만 이 리더퍼드의 새로운 원자모형도 문제가 있습니다. 원자핵을 이루고 있는 양성자는 +전하를 띠고 있는데 전자는 -전하를 띠고 있습니다. 우리가 자석을 가지고 놀면서 쉽게 알 수 있듯이 +와 -는 서로 잡아당기는 성질이 있습니다.


그렇다면 +전하를 띠고 있는 원자핵에 전자가 떨어져야 할 것이지요. (+)와 (-)가 딱 붙어야 앞뒤가 맞는 거지요 하지만 그런 일은 일어나지 않습니다. 그리고 이 문제를 해결한 것이 바로 덴마크 출신의 물리학자 닐스보어입니다.


이제 덴마크가 낳은 천재 닐스 보어에 대한 이야기를 해야 겠네요..물론 다음 시간에 말이죠,.,,^-^*