기초 일반화학 : 원자핵의 발견(러더퍼드의 원자모형)

지난 시간에는 '전자'라는 존재를 밝혀냄과 동시에 원자를 더 이상 작게 쪼갤 수 없다는 가설로 유명한 돌턴의 원자모형을 수정시킨 톰슨의 음극선 실험과 원자모형에 대해서 정리했습니다.

 

2021.09.25 - [투자 아이디어 에너지] - 기초 일반화학 : 음극선과 전자의 발견(톰슨의 원자모형)

기초 일반화학 : 음극선과 전자의 발견(톰슨의 원자모형)

 

이번 시간에는 톰슨의 제자로써 그의 스승의 원자 모델을 증명하기 위하여 실험을 하던 도중, 톰슨의 원자모형이 실험 결과와 맞지 않음을 발견하여 새로운 원자모형을 발표한 러더퍼드(Ernest Rutheford)의 실험과 원자 모형에 대해 다뤄보고자 합니다.

 

 

 

러더퍼드의 실험 방식

러더퍼드는 아래 그림에서 보는 바와 같이 아주 얇게 편 금박을 가운데에 놓고, 그 주위에는 원형의 황화아연으로 만든 스크린을 에워싼 다음, 라듐이라는 원소로부터 방출되는 작고 단단하며 양전하를 띤 알파 입자를 금박을 향해 쏜 다음, 알파 입자가 휘는 정도를 관찰하였습니다.

 

참고로 알파입자는 방사선 종류인 알파선의 입자로써 양성자 2개와 중성자 2개로 이루어진 헬륨의 원자핵인데, 이 같은 사실을 밝혀낸 것도 러더퍼드입니다. 그만큼 알파 입자에 대해서 많이 알고 있었으며, 알파 입자가 전자에 비해 수천 배(추후 7300배로 밝혀짐) 무거운 질량을 가진 사실도 인지하고 있었습니다. 그렇기 때문 

 

러더퍼드의 원자모형 실험

 

 

러더퍼드가 예상한 톰슨 원자모형에 따른 알파입자 실험 예측

 

  그의 스승인 톰슨의 제시한 원자모형 이론에 따르면, 금박을 이루고 있는 전자는 알파 입자보다 훨씬 가볍고, 고루 분포되어 있기 때문에 알파 입자의 직진성에 장애가 되지 않을 것으로 아래의 사진처럼 알파 입자는 약간의 휠 수는 있겠지만 대부분의 알파 입자는 금원자를 통과할 것이라고 기대하였습니다. 

 

러더퍼드가 예상한 톰슨 원자모형에 따른 알파입자 실험결과(출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Geiger%E2%80%93Marsden_experiments)

 

 

 

 

러더퍼드의 알파입자 실험 결과

실험 초기 결과에서는 이러한 톰슨 원자모형에 부합한 것으로 보였으나, 곧 예상치 못한 일이 발생하였습니다. 

대부분의 양전하를 띤 알파 입자는 톰슨의 원자모형 이론과 같이 금 원자를 통과하여 직진방향으로 스크린에 빛이 발생하였으나, 몇몇의 알파 입자는 작게 굴절(산란)되었으며, 알파 입자 2만여 개 중 1개는 아예 90도 이상의 큰 각도로 굴절된 결과가 나타난 것 입 나다.(알파 입자가 반사되어 뒤로 되돌아옴)

 

 

 이를 두고 러더퍼드는 추후에 다음과 같이 회상하였습니다.

 

그것은 내 생애에 일어났던 사건 중 가장 믿을 수 없는 일이었습니다. 이것은 마치 당신이 화장지 한장에 15인치 포탄을 쏘았는데 그것이 다시 돌아와 당신을 맞춘 것처럼 거의 믿을 수 없는 일입니다.

러더퍼드가 실험결과를 두고 기적이라고 표현한 이유는 그의 스승인 톰슨의 원자 모형에 따르면, 전자는 알파 입자의 직진성에 영향을 주지 않아야 합니다. 왜냐하면 양전하를 띤 알파 입자는 금박의 전자보다 무려 7300배나 무겁기 때문에 금박의 전자는 물론 양전하 성격을 가진 원자 자체도 뚫고 직진할 수 있기 때문입니다,

 

그러나 실험결과는 알파 입자 2만 개 중 1개가 되돌아왔으며 이는 알파 입자와 충돌한 대상은 전자보다 훨씬 무거운 대상으로 양전하를 지난 물체가 한 곳에 모여있음을 반증하는 것이기 때문입니다.

 

 

 

 

러더퍼드의 원자모형

이에 러더퍼드는 스승의 원자모형이 오류가 있음을 깨닫고 아래 그림과 같은 원자 모형을 제시하게 되는데요.

 

러더퍼드의 원자모형

 

 러더퍼드의 원자모형에 따르면,

 

1) 원자의 대부분의 공간을 전자가 차지하고 있으며

2) 러더퍼드가 핵이라 부른 중앙의 작은 지역은 모든 양전하를 지니고, 원자 질량의 대부분을 차지하고 있고,

3) 핵안에 양전하를 띤 입자가 들어있다고 제안하면서, 이 입자를 양성자라 부르게 됩니다.

 

러더퍼드의 원자모형에서는 무거운 원자핵과 전자 간 전자기력과 원심력의 균형에 의해 원운동을 하게 됩니다. 그래서 러더퍼드의 원자모형을 흔히 '태양계 모형'이라고 부르기도 합니다.

 

그러나 러더퍼드의 원자 모형은 태양계 모형과 같이 행성과 태양이 일정한 궤도로 돌 수 있는 중력과 원심력에 의한 힘이 아닌 원심력과 전자기력에 의해 유지된다고 설명하였으나,  맥스웰의 전자기 방식에 따르면, 원자핵 주위를 돌고 있는 전자는 전하를 가지고 있기 때문에 원자핵 주위를 돌면 전자기파를 방출하는 형태로 에너지를 내놔야 합니다.

 

 하지만 전자기파가 방출하게 되면 에너지를 잃게 되기 때문에 원자핵 주변을 도는 속도가 느려지고, 결국에는 원자핵과 충돌해야 합니다. 따라서 러더퍼드 원자 모형에 의한 원자는 지속적으로 안정한 상태로 존재할 수 없는 것으로 결국 원자핵 주위를 전자가 돌고 있는 원자모형은 실제로 존재하면 안 되는 원자의 모형이었던 것입니다. 

 

이후, 원자모형은 오늘날 우리에게 근래 익히 듣고 있는 '양자역학'의 전설이라고 불리는 닐스보어에 의해서 다시 한번 현대적으로 변신하게 됩니다. 

 

 

 

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