원자의 구조

원자(atom)은 물질을 구성하는 가장 작은 입자라고 알려져 왔다. 물질이 원자라는 작은 입자로 구성되어 있다는 생각은 무려 2500년 전부터 계속되어 온 것이다. 하지만 20세기에 와서 과학자들이 원자의 내부를 조사해 볼 수 있었다. 이후에 원자가 예전에 생각했던 것만큼이나 단단하고 더 이상 나눌 수 없는 입자는 아니라는 사실을 알게 되었다. 원자는 보다 더 작은 입자들로 구성된 복잡한 구조를 가졌다는 사실을 말이다. 

 

첫 번째 작은 입자는 1897년 영국의 물리학자 톰슨이 발견해 냈다. 전자라고 하는 이 입자는 음의 전기를 띠고 있는 것인데, 전자는 지금 우리 생활 속에서 확인해 볼 수 있다. 바로 피뢰침에 흐르는 전류가 전자이다. 정상 상태의 원자는 전기적으로 중성이기 때문에 원자의 각 전자는 같은 양의 양의 전하와 균형을 이루고 있어야만 한다. 여기에 한 가지 문제가 더 있는데, 양의 전하와 음의 전하의 자리가 어디인가에 관한 것이다. 이에 대해서는 1911년 영국의 물리학자 러더포드가 답을 내놓았다.

 

러더포드는 는 이 질문에 대한 해답을 얻을 수 있는 실험 장치를 고안해 냈다. 그는 약 400개의 원자를 포개어 놓은 두께에 해당하는 아주 얇은 금박 종이를 향하여 방사능 문질에서 방출되는 알파 입자의 빔을 쏘았다. 알파 입자는 전자를 모두 잃어버린 헬륨 원자로 양의 전기를 갖고 있는데, 이때 대부분의 알파 입자들은 금박 종이와 그것을 이루고 있는 원자들이 완전히 비어 있는 것처럼 그대로 통과했다. 그러나 8,000개의 알파 입자들 중 단 한 개는 방향을 완전히 바꾸어서 금박과 반대 방향으로 튕겨 나갔다.

 

원자 충돌 이론

 

 

금박을 통과하지 않고 진행 방향을 바꾸어 돌아갔다는 사실을 설명할 수 있는 단 한 가지 방법은 금박을 구성하고 있는 원자의 질량과 전하가 작은 핵에 밀집되어 있다고 가정하는 것이었다. 당구공이 또 다른 당구공을 쳤을 때 방향이 바뀌어 돌아가는 것처럼 하나의 알파 입자가 핵을 때렸을 때 방향이 역전될 수 있는 것이다. 러더포드는 핵 둘레를 도는 궤도에 그와 반대인 음의 전하를 지닌 전자를 위치시켰다. 

 

러더포드의 모형에서 전자들은 계속 운동을 하고 있어야 한다. 양의 전하와 음의 전하는 서로 끌어당기기 때문에 정지해 있는 전자들은 핵으로부터 멀어지게 될 것이다. 전자와 핵 모두 매우 작기 때문에 대부분의 원자는 텅 비어 있는 것이다. 이러한 이유 때문에 러더포드의 알파 입자들이 금박 종이를 별 다른 충돌 없이 통과할 수 있었던 것이다. 과학자들이 핵 자체도 구조를 가지고 있다는 사실을 발견했지만 러더포드만이 실험으로 증명했던 것이다. 러더포드는 이 실험을 통해 원자도 태양계의 축소판처럼 양의 전하는 핵에 밀집되어 있고, 음의 전하는 그 둘레의 거대한 공간을 돌고 있다는 결론을 내렸다.