SK Lab.

1808년 영국의 돌턴은 <화학의 신체계> 라는 저서를 통해 원자론을 주장했다. 돌턴은 원자가 더 이상 쪼개질 수 없는 가장 작은 알갱이라고 주장했지만, 1896년 프랑스의 베크렐이 원자가 방사선을 분출하는 것을 발견하고, 퀴리 부부가 방사선을 방출하는 또 다른 원소인 폴로늄과 라듐을 발견하게 되자 이러한 주장은 더이상 진실이 아닌 것으로 밝혀지게 된다.

이에 과학자들은 그렇다면 원자 내부는 어떻게 구성되어 있을까 하는 의문을 품게 되었다. 20세기 초 많은 과학자들이 이러한 문제를 해결하기 위해서 원자 모형을 만들어 이를 입증하는 실험을 하였다. 그 중 뉴질랜드 과학자 어니스트 러더퍼드는 가장 많은 업적을 남긴 과학자이다.

뉴질랜드 출생의 러더퍼드는 영국 케임브리지로 유학을 오게 되었고, 당시 전자를 발견했던 톰슨의 지도를 받았고, 이후 캐나다로 건너가 프레더릭 소디와 함께 방사성 원소의 붕괴에 대해 연구를 시작했다. 러더퍼드와 소디는 라듐이나 우라늄 같은 방사성 원소가 알파선, 베타선 그리고 감마선과 같은 방사선을 방출하는 이유에 대해 연구하기 시작했고, 실험을 통해 방서성 붕괴 과정의 통제를 시도했다. 

그들은 원자를 가열하거나, 냉동시키는 등의 물리 화학적 변화를 발생시켜보았지만, 이러한 변화들은 방사성 붕괴에 어떠한 영향을 주지 않는다는 것을 발견했다.

방사성 붕괴는 방사성 원소를 포함하는 물질의 물리/화학적 상태에 관계없이 항상 일정한 비율로 발생했다. 이는 곧 전체 질량의 절반이 붕괴하는데는 항상 동일한 시간이 소요된다는 것을 의미했다. 즉 50kg 이 붕괴하여 25kg 이 남는데 10년이 걸린다면, 10kg이 붕괴하여 5kg이 남는데 소요되는 시간도 동일하게 1년이 걸리며, 방사성 물질에 어떠한 변화를 가하더라도 이러한 반감기는 변하지 않았다.

리더퍼드와 소디는 방사성 붕괴 과정은 확률을 통해서만 설명이 가능하다는 것을 발견하였다. 모든 방사성 원소가 1년 안에 붕괴할 확률이 1/2로 같다면, 방사능 원소의 양과 무관하게 1년이 경과하면 방사성 원소의 양이 절반으로 줄어들 것이기 때문이다. 그러나 이러한 가정은 모든 원자가 동일한 붕괴 확률을 가지고 있어야 하고, 붕괴확률이 외부적 환경변화나 시간의 흐름에 따라 변하지 않아야 한다는 전제가 성립되어야 한다.

모든 원자의 붕괴확률이 동일하다는 것은 원자가 나이를 먹지 않는 것을 뜻하는 것이다. 실험결과는 원자는 시간의 흐름에 따라 나이를 먹지 않을 뿐만 아니라, 아무리 험한 환경에서도 빨리 노쇠해지지 않는다는 것을 나타내고 있었다. 

캐나다의 맥길 대학에서 영국 맨체스터 대학으로 건너온 러더퍼드는 1909년에 한가지 실험을 시작했다. 러더퍼그는 그의 조교였던 어니스트 마르스덴과 한스 가이거와 함께 금을 얇게 펴서 두께가 1/20,000 cm 인 금박을 만들었고, 방사성 원소에서 방출되는 알파 입자를 이 금박을 향해 쏘았다.

금박 뒤에는 알파입자가 충돌했을 때 작은 불꽃을 내게 되는 황화아연 스크린을 설치했다. 마르스덴과 가이거는 어두운 실험실에서 알파입자가 발생해내는 작은 불꽃의 위치와 수를 기록했다.  실험결과 약 8,000개의 알파입자 중 한 개 정도가 뒷쪽으로 튀어나왔고, 이 실험을 통해 그들은 알파입자 중의 일부가 금박을 통과하지 못한다는 것을 알게되었다. 

알파입자와 충돌하여 알파입자를 뒤로 튕겨내게 하려면, 그것은 매우 무겁고 단단한 충분한 양의 전하를 가지고 있는 물체여야 설명이 가능한 실험결과였다.

당시 러더퍼드가 생각하던 원자는 전자가 여기저기 분산되어 박혀있는 형상의 모형이였다. 그는 알파 입자가 가벼운 전자를 흩어버리고 원자를 그대로 통과할 것이라고 예상하고 있었지만, 실험결과를 통해 러더퍼드가 생각하고 있는 원자 모형이 잘못되었음을 알게 되었다.

이에 러더퍼드는 새로운 원자 모형을 만들게 된다. 그가 새롭게 만들어낸 원자 모형은 원자들이 원자핵을 가지고 있고, 전자들이 이 원자핵 주위를 빠른 속도로 돌고 있었다. 당시에는 중성자가 아직 발견되지 않은 시기라 원자핵의 구조에 대해 정확한 설명은 불가능했지만, 원자핵이 존재한다는 사실 자체는 명확히 밝혀낸 것이다. 

원자 질량의 대부분을 가진 원자핵의 지름은 원자 지름의 약 10만분의 1밖에 안되었으므로 원자는 텅빈 공간이였다. 원자를 커다란 운동장이라고 가정하면, 원자핵은 운동장 중앙에 달려 있는 작은 구슬에 비유할 수 있었다. 그리고 넓은 운동장에 먼지 같은 전자들이 날아다닐 뿐이였다. 

러더퍼드는 이러한 실험과 연구를 통해 원자의 종류를 결정하는 원자핵이라는 개념을 밝혀냈고, 이를 통해 원자의 종류를 바꿀 수 있는 이론의 발판을 마련하게 된다.