중성자와 양성자의 발견

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중성자와 양성자를 처음 연구한 러더퍼드, 채드윅, 모즐리

 

음극선이 음전하를 가진 입자의 흐름이며, 그 입자의 무게는 수소 원자 무게의 2,000분의 1 정도라고 밝힌 톰슨((Joseph John Thomson 1856-1940)의 제자인 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871-1937)는 뉴질랜드 태생의 물리화학자였다.

 

러더퍼드는 1909년, 영국의 맨체스터 대학에서 알파 입자(2개의 양성자와 2개의 중성자가 결합한 헬륨의 핵)가 흩어지는 것을 관찰하던 중, ‘원자의 중심에는 양전하를 가진 핵이 압축되어 있고, 그 주변에는 전자가 마치 태양 주위를 도는 행성처럼 넓은 공간을 두고 돌고 있다’는 새로운 이론을 발표했다. 이어 1911년에는 원자의 구조를 나타내는 모델을 만들었다. 러더퍼드는 오늘날 ‘핵물리학의 아버지’로 불린다.

 

 

 

 

러더퍼드 알파입자 발견

 

러더퍼드는 원자를 연구하는 방법으로 그 당시 새롭게 발견된 방사성 원소(우라늄과 라듐)를 이용했다. 두 원소는 원자가 불안정하여 저절로 핵붕괴가 일어나면서 양전하를 가진 알파 입자를 방출한다. 알파 입자가 2개의 양성자와 2개의 중성자로 이루어진 헬륨의 핵이라는 것을 알지 못했던 러더퍼드는 이 입자를 그리스 문자의 첫 글자를 따서 ‘알파’(alpha)라 불렀다. 방사선에서 ‘알파선’이라는 말도 이때 나오게 되었다.

 

 

 

헬륨의 핵은 양성자 2개와 중성자 2개로 구성되어 있다. 알파 입자(알파선)는 바로 이 헬륨의 핵이다.

  

헬륨의 원자 구조 

 

방사성 원소의 핵에서 알파 입자가 떨어져 나오는 모양을 나타낸다. 알파 입자(헬륨의 핵)는 2개의 양성자와 2개의 중성자만 있고 전자는 없기 때문에 양전하를 갖는다.

 

  

연구를 계속한 러더퍼드는 방사성 원소에서 나오는 알파입자를 원자의 핵에 충돌시키면 핵이 부서지는 것을 발견하고, 이러한 방법으로 핵의 구조를 연구했다. 1920년, 그는 가장 가벼운 원소인 수소의 핵이 모든 원자의 핵을 이루는 기본이 된다는 사실을 알았다. 그는 수소의 핵을 이루는 양전기를 가진 입자를 ‘양성자’(陽性子 proton)라 부를 것을 제안했습니다.

 

중성자를 찾아낸 채드윅

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핵에 양성자 외에 중성자(neutron)가 있음을 처음 밝힌 과학자는 영국 캐번디시 연구소의 물리학자 채드윅(James Chadwick 1891-1974)이었다. 1932년에 처음 발견된 중성자는 질량이 양성자와 거의 같았으며, 전하를 갖지 않았다. 그래서 이 입자에는 ‘중성자’(中性子 neutron)라는 명칭이 붙여졌다.

 

양성자의 수를 헤아린 모즐리

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한편 영국의 물리학자 모즐리(Henry Moseley 1887-1915)는 제1차 세계대전이 시작되기 바로 전 1913년경부터 여러 종류의 원소에 빠른 속도의 전자를 충돌시켰을 때, 그 원소로부터 방출하는 X-선의 파장을 조사했다. 그 결과 원소의 종류에 따라 마치 지문(指紋)처럼 독특한 파장의 X-선이 방출되는 현상(‘모즐리의 법칙’)을 발견했다. 그는 이 방법의 결과를 수학적으로 계산하여, 각 원소의 핵이 가진 양성자의 수를 헤아릴 수 있었다.

 

모즐리의 연구로 밝혀진 각 원소의 양성자 수는 바로 그 원소의 ‘원자번호’(atomic number)가 되었다. 원자번호는 언제나 자연수(自然數)이다. 모즐리의 연구 때문에 멘델레예프의 주기율표는 원자번호에 따라 전보다 멋지게 완성시킬 수 있었다.

 

모즐리의 놀라운 연구는 X-선의 파장을 분석하여 원소와 물질의 종류를 구별하는 ‘X-선결정학’이라는 새롭고도 중요한 물리화학 분야를 탄생시켰다. 모즐리는 이 외에도 원자 연구에 위대한 업적을 많이 남겼다. 그러나 불행하게도 그는 1914년에 시작된 제1차 세계대전 때 영국군 통신병으로 참전했다가, 1915년 8월 저격병의 총에 맞아 28세에 세상을 떠났다. 전쟁 때문에 역사상 가장 전도유망한 과학자 한 사람을 잃게 된 것이다.

 

 

전자와 양성자를 발견한 과학자들