러더퍼드의 알파 입자 산란 실험으로 원자핵을 발견한 과정이 궁금해요

Question

톰슨의 푸딩 모형과 달리 러더퍼드가 금박에 알파 입자를 쏘았을 때 대부분 통과하고 아주 일부만 크게 튕겨 나간 현상으로부터 원자 내부에 작고 단단한 원자핵이 존재한다는 사실을 유도한 논리가 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

당시 톰슨의 푸딩 모형은 양전하가 원자 전체에 골고루 퍼져 있다고 보았으나 러더퍼드는 이를 검증하기 위해 얇은 금박에 알파 입자를 발사하는 실험을 수행했습니다 실험 결과 대부분의 알파 입자는 금박을 그대로 통과하여 원자의 대부분이 텅 빈 공간임을 보여주었습니다 하지만 놀랍게도 극소수의 알파 입자만이 큰 각도로 꺾이거나 뒤로 되튀어 나오는 현상이 관측되었습니다 이 엄청난 척력을 설명하기 위해 그는 원자의 질량과 양전하가 전체 크기에 비해 극도로 작고 단단한 한 곳에 집중되어 있다는 결론을 내렸습니다 결과적으로 이 실험은 원자 내부에 강력하고 밀도가 높은 중심점인 원자핵이 존재한다는 사실을 최초로 증명해 냈습니다

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

톰슨 모형에서는 양전하가 원자 전체(지름 약 10⁻¹⁰m)에 고르게 퍼져 있고 전자가 그 안에 박혀 있어요. 이렇게 전하가 넓게 퍼지면 원자 안의 전기장이 약해요. 그래서 전자보다 약 7,300배 무거운 알파 입자는 거의 휘지 않고 지나가야 해요. 원자 수천 개를 지나며 휘는 걸 다 더해도 1° 남짓에 그쳐야 했어요.

1909년 가이거와 마스덴의 실험에서는 대부분이 예상대로 통과했지만, 약 8,000개 중 1개꼴로 90° 넘게 튕겨 나왔어요. 러더퍼드는 이 결과를 두고 종이에 대포를 쐈는데 포탄이 되돌아온 것처럼 놀라웠다고 했어요.

대부분이 그냥 통과했으니 원자 안은 거의 비어 있어요. 빠른 알파 입자를 뒤로 튕겨 낼 만큼 강한 반발력이 생기려면 양전하가 아주 좁은 곳에 몰려 있어야 해요. 그런 일이 극히 드물게 일어났으니 그 중심부는 원자에 비해 매우 작아요. 알파 입자에 밀려나지 않고 튕겨 내려면 질량도 대부분 이곳에 있어야 해요.

러더퍼드는 1911년 쿨롱 법칙으로 산란 각도별 입자 수를 계산했고, 이후 실험값과 잘 맞았어요. 이 계산으로 원자핵 크기는 10⁻¹⁴m 이하, 원자의 1만 분의 1 수준으로 나왔어요 :)