원자를 구성하는 입자, 전자와 원자핵 그리고 양성자와 중성자

톰슨의 실험

19세기 영국의 과학자 돌턴은 물질을 계속해서 쪼개나가면 더 이상 쪼갤 수 없는 입자인 원자(atom)가 나온다고 했다. 하지만 과학이 발달함에 따라 이러한 돌턴의 원자설은 수정을 거쳐야만 했다. 사실 원자는 더 작은 입자인 전자와 원자핵으로 구성되어 있으며 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있음을 알아낸 것이다. 그렇다면 전자와 원자핵은 어떻게 발견했을까?

 

우선 가장 먼저 발견한 입자는 전자다. 톰슨은 진공 방전관의 양 끝에 설치된 전극에 높은 전압을 걸었을 때 인력에 의해 (-) 극에서 (+) 극으로 이동하는 입자의 흐름을 발견하고 (-) 전하를 띤 입자를 전자라고 정의했다. 이를 톰슨의 음극선 실험이라 부른다. 
음극선 실험 결과를 더 해석해보자. 음극선의 진행 방향에 장애물을 설치하면 음극선에 의해 그림자가 생기고, 바람개비를 놓아두면 바람개비가 회전하는 모습을 볼 수 있다. 이는 음극선이 직진하며 질량을 가진 입자의 흐름임을 알 수 있다. 톰슨은 위와 같은 결과를 종합해서 원자는 (+) 전하가 고르게 분포하고 (-) 전하의 전자가 박혀있는 푸딩 모양이라고 생각했다.

 

러더퍼드의 실험

이후 러더퍼드의 알파 입자 산란 실험을 통해 원자핵이 발견되었다. 러더퍼드는 금박 주위에 형광 스크린을 둘러놓고 (+) 전하를 띠는 알파 입자(헬륨 원자핵)를 금박에 충돌시켰다. 그 결과 대부분의 알파 입자들은 금속을 그대로 통과했지만 일부의 알파 입자들은 휘거나 튕겨 나왔다. 러더퍼더는 이 실험을 통해 원자 중심에 질량의 대부분을 차지하며 (+) 전하를 띤 입자가 존재한다고 생각했고 이를 원자핵이라 정의했으며 (-) 전하의 전자는 그 주위를 돌고 있다고 하였다.

러더퍼드의 알파입자 산란실험

 

 

이후 그는 질소 가스 공간에 알파선을 쪼이는 실험을 통해 이전에는 없던 수소 원자가 튀어나온다는 것을 관찰했고 모든 핵은 더 작은 입자로 이루어져 있으며 그 기본 단위가 양성자임을 알아냈다. 그렇다면 원자를 구성하는 입자는 어떤 특징을 가질까? 우선 전자는 무시할 수 있을 정도로 질량이 매우 작으며 (-) 전하를 가진다. 중성자는 전기적으로 중성이지만 양성자와 질량이 비슷하다. 또한 원자가 가질 수 있는 중성자의 개수도 다양한데, 양성자 수는 같지만 중성자 수가 달라 질량수가 다른 원소를 동위원소라 한다. 양성자는 (+) 전하를 가지며 전자와 전하량의 절댓값이 같다. 그러므로 원자는 전기적으로 중성이라고 할 수 있는 것이다. 과학이 발전함에 따라 돌턴의 원소설이 수정된 것처럼 원자의 모양도 수정되어 현대의 원자는 구름 모양의 오비탈로 정의하고 있다.