러더퍼드 금박 실험 (원자핵의 발견)

Rutherford gold-foil experiment

얇은 금박에 쏜 알파 입자가 거꾸로 튕겨 나온다면, 원자 속은 어떻게 생겼을까요?

무슨 일이 일어났나

1909 년 러더퍼드와 한스 가이거는 학생 어니스트 마스든에게 방사성 원천에서 나온 알파 입자를 얇은 금박에 쏘는 실험을 맡겼습니다(APS).

대부분의 알파 입자는 금박을 거의 곧게 지나갔지만 몇천 개에 1 개꼴로 90° 넘게 휘었고(APS · LBL), 러더퍼드는 15 인치 포탄을 휴지에 쐈더니 되튀어 온 것 같았다고 말했습니다(APS).

시뮬레이터는 금 원자핵 하나 둘레만 크게 그립니다. 5.30 MeV 알파가 정면으로 다가가도 42.9 fm 에서 되돌아가고, 지나가는 폭(반)을 2 pm 로 두면 튕길 몫의 식은 0.0107 입니다.

실제 금박에서 튕긴 몫이 이보다 훨씬 작았던 것은, 알파 대부분이 어느 원자핵에서도 멀리 떨어진 곳을 지나갔기 때문입니다 — 이 장면은 원자핵 가까운 곳만 떼어 보여 줍니다.

과녁을 알루미늄(Z = 13)으로 바꾸면 튕길 몫의 식이 0.00176 으로 줄어듭니다 — 원자핵의 양전하가 클수록 알파를 세게 밀어냅니다.

💡 생활 속 예시

  • 깜깜한 운동장에서 공을 굴렸는데 아주 가끔 공이 되튀어 온다면, 넓은 빈터 어딘가에 작고 단단한 기둥이 있다고 짐작할 수 있습니다 — 러더퍼드도 드문 되튐으로 작은 원자핵을 찾았습니다.
  • 볼링공이 휴지 한 장을 뚫고 가는 것은 당연하지만, 되튀어 온다면 휴지 속에 단단한 무언가가 숨어 있는 것입니다 — 러더퍼드가 «포탄과 휴지» 로 놀라움을 나타낸 까닭입니다.

누가 왜 찾았나

1907 년 맨체스터 대학교로 온 러더퍼드는 1909 년 동료 한스 가이거와 함께 학생 어니스트 마스든에게 알파 입자 산란 실험을 맡겼습니다(APS). 몇천 개에 1 개꼴로 알파가 90° 넘게 튕겨 나오자, 러더퍼드는 이를 설명하려고 셈한 끝에 원자핵이 원자의 약 10 만분의 1 크기라는 결론을 냈습니다(APS).

확인된 값

방사성 원천에서 나온 알파 입자를 얇은 금박에 쏘았다
alpha particles → thin gold foil 출처
1909 년 러더퍼드와 가이거가 학생 마스든에게 맡긴 실험
1909 출처
러더퍼드가 맨체스터 대학교로 온 해
1907 출처
러더퍼드가 결과를 처음 알린 때 — 1911 년 3 월 (맨체스터 문학 · 철학 협회)
1911-03 출처
논문을 실은 곳 · 때 — Philosophical Magazine, 1911 년 5 월
1911-05 출처
일부 알파 입자가 90 도 넘게 휘었다 (LBL)
> 90° 출처
러더퍼드의 말 — 15 인치 포탄을 휴지에 쐈더니 되튀어 온 것 같았다
15-inch shell 출처

교육과정에서는

  • 한국 2022 · 과학탐구실험1 · 과학의 본성과 역사 속의 과학 탐구
  • 잉글랜드 · KS4 Physics: Atomic structure
  • 일본 · 高等学校 物理 (4) 原子

출처

이어서 보기

같은 단원 · 원자핵과 방사선

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