알파입자의 탐침으로 원자를 살펴본다.
|
|
러더퍼드(E. Rutherford: 1871~1973)_ 영국의 물리학자로서 "원자물리학의 아버지"라 불린다. 
|
1911년 톰슨의 제자였던 러더퍼드(E. Rutherford)는 알파입자를 금속 막에서 산란시키는 실험을 하여 톰슨의 원자모형이 틀렸다는 결정적인 증거를 얻었다. 실험에 사용한 알파입자는 헬륨원자에서 전자가 둘 빠진 상태로서 질량은 전자의 약 7500배, 전하는 +2가라는 것을 러더퍼드 자신의 연구로 이미 알려져 있었다.
알파 입자의 질량: 수소원자의 약 4배
알파 입자의 전하: 기본전하량(1.602 x 10-19 C)의 2배 (+2가)
알파 입자의 실체: 헬륨의 원자핵
톰슨의 모형대로라면 전자에 비하여 훨씬 무거운 알파입자가 핵 속의 전자에 의한 영향을 거의 받지 않고 단지 원자의 대부분의 질량을 가지고 있고 원자 전체에 걸쳐 균일하게 분포하고 있는 + 전하의 물질에 의해 약간의 영향을 받을 것이었다. 실제로 톰슨의 원자 하나가 알파입자를 편향시키는 각은 10-4라디안 이하이다. 층층이 쌓여 있는 여러 원자가 편향시키더라도 각각이 제멋대로 일어나므로 전체적인 편향각이 크게 나타날 확률은 대단히 작다. 러더퍼드 실험에서는 10-6m 두께의 금박을 사용하였는 데 이 경우 금 원자가 약 10000층 정도 쌓여 있다. 이때 90도 이상으로 편향될 확률은 10-3500 정도 되어 이런 결과가 실제의 실험에서 나타나기란 불가능 하다. 그러나 실제의 실험에서는 이 값이 10-4으로 빈번히 나타났으며, 심지어 180도로 편향되는 경우도 있었다.
아래 그림은 톰슨의 모형이 맞다고 했을 때의 알파입자의 산란을 보여준다.
| ani |
|
|
톰슨의 원자 모형에 따른 알파 입자의 산란 모양_ 원자속에 + 전하가 원자의 규모 전체에 균일하게 분포되어 있어 알파 입자를 크게 산란시키지 못한다.
|
아래 그림은 러더퍼드의 실험장치와 실험결과를 보여준다. 알파입자가 방출되는 방사성동위원소에서 사방으로 알파입자가 나오며 이를 좁은 틈으로 통과시켜 금의 막에 충돌시킨다. 금을 사용한 이유는 퍼짐성이 좋아 아주 얇게 펼 수 있어 알파입자가 거의 흡수되지 않고 산란되기 때문이다. 뒤에는 형광물질이 칠해져 있는 현미경이 있어 이의 각을 달리하여 알파입자가 산란되는 정도를 형광빛으로 측정할 수 있다. 이 장치로 측정한 실험결과는 그림에서 보는 것처럼 많은 수가 크게 편향되지는 않지만 그중에는 매우 큰 값으로 편향되는 것이 관찰되었다.
| ani |
|
|
러더퍼드의 산란 실험_ +전하를 가진 원자핵이 원자의 중심에 밀집되어 있다는 러더퍼드 모형에 의한 알파 입자의 산란으로 간혹 큰 각도로 산란하는 알파 입자가 있다.
|
위 그림에서 처럼 많은 알파 입자중 일부분은 거의 뒷쪽으로 산란되어 나온다. 이는 마치 "종이에 대고 권총을 쐈는 데 총알이 되튀어 나오는 상황"과 비슷하다. 이에 따라 톰슨의 모형을 대신할 새로운 모형이 요구되었다.
 _ 편향각_ 현미경_ 전하
| 
)
)