보어의 원자모형


러더퍼드의 산란 실험

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.

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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.

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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

러더퍼드의 원자모형

원자는 태양계를 닮았다!

러더퍼드는 알파입자를 이용한 산란 실험에서 몇 가지 금속막에서 산란된 알파입자의 산란각에 대한 분포를 측정할 수 있었다. 그리고 이 실험결과는 자신의 스승인 톰슨의 모형으로 설명할 수 없는 것을 알고 이 실험결과를 정확하게 맞출 수 있는 새로운 원자모형을 제안하였다.

러더퍼드의 원자모형은 + 전하를 띤 중앙에 밀집된 주위로 전자가 궤도운동을 한다는 것이었다. 이 모형은 마치 태양주위를 지구와 같은 행성들이 돌고 있는 태양계를 그대로 닮아 있어 아주 신비로운 느낌을 당시의 사람들에게 심어주었다. 아주 작은 원자의 세계가 아주 큰 우주를 닮았다!

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러더퍼드 원자모형의 의한 원자의 모양_ 원자의 크기에 비하여 매우 작은 원자핵이 중심에 있다. 그림에서 원자핵의 크기는 크게 그려져 있다. 실제로 원자의 규모를 지구와 비슷하게 놓는다면 원자핵의 크기는 축구공 크기보다도 더 작다.

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원자핵에 의한 알파입자의 산란_ 알파 입자가 원자핵에 의해 산란되는 모양을 보여준다. 중앙에 원자의 규모에 비하여 훨씬 작은 원자핵이 원자의 모든 +전하를 가지고 밀집되어 있고 왼편에서 +2가의 +전하를 가진 알파 입자가 원자핵으로 쇄도해 들어간다. 이때 둘 사이에는 거리의 제곱에 반비례하는 정전기적인 반발력이 작용하고 있어 알파 입자는 궤도가 원자핵으로 부터 멀어지는 방향으로 꺾어지게 된다. 원자핵에 가까이 스쳐지나갈 알파 입자일수록 더 많이 꺾어지게 (산란) 된다. 한편 빠른 알파 입자를 선택하면 새로 진입하는 알파 입자의 속도가 두배로 커진다. 이 경우에는 알파 입자가 핵의 가까운 거리까지 근접할 수 있고 산란각도 작아진다.

러더퍼드는 자신의 실험의 결과, 즉 알파 입자가 뒷 쪽으로 산란되는 것이 있다는 사실로부터 원자의 +전하부분이 중심에 밀집 된 것을 알았다. 이를 핵이라 한다. 이 핵의 범위도 실험으로 추측할 수 있었는 데, 원자는 핵의 크기를 당구공 정도로 볼 때 원자의 규모는 지구 정도로 비교할 수 있다. 아래 그림에서의 핵 내부의 구조는 그 이후에 중성자가 발견됨으로서 알려지게 되었다.


_ _ 중성자_ 전하



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