양성자와 중성자의 발견

양성자와 중성자의 발견

 

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▶ 참고: 제2장 원자, 분자, 이온. 목차

[ https://ywpop.tistory.com/15185 ]

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1911년 러더퍼드는 알파(α) 입자 산란 실험을 통해, 원자 안에는 (+)전기를 띤 원자핵이라는 작은 알갱이가 있고, 그 주위를 (–)전기를 띤 아주 작은 전자들이 돌고 있다는 것을 알게 되었다. 러더퍼드는 그 후에도 원자를 향해 α 입자를 발사하는 실험을 계속했다.

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/11606 ] 원자핵의 발견

 

 

 

1914년 러더퍼드는 수소 원자핵이 모든 양전하를 가진 입자 중에서 가장 작은 알갱이라는 것을 밝혀냈다. 그러나 수소 원자핵이 다른 원자핵을 구성하는 알갱이라는 것은 알지 못했다. 러더퍼드는 α 입자와 원자핵의 충돌로 별다른 일이 일어날 것이라고는 생각하지 않았다. 그러나 질소 기체를 향해 α 입자 발사 실험을 하던 러더퍼드는 질소 기체에 수소가 섞여 있는 것을 발견했다. α 입자를 발사하기 전에는 수소가 포함되어 있지 않았다. 그렇다면 이 수소는 어디서 왔단 말인가?

 

 

 

 

 

 

실험 결과는 질소 원자핵과 α 입자가 충돌하여 질소 원자핵이 깨지면서 수소 원자핵이 나왔다는 것을 알려 주고 있었다. 이것은 질소 원자핵 속에 수소 원자핵이 들어 있었음을 의미했다. 이 사실을 바탕으로 모든 원자의 원자핵 속에 수소 원자핵인 양성자가 들어 있다고 결론지었다.

 

 

 

이 실험은 원자의 원자핵을 이해하는 데 필요한 두 가지 중요한 사실을 알게 해주었다.

 

첫째, 인공적으로 원자를 쪼개는 것이 가능하다는 것이다. 오래 동안 원자는 더 이상 쪼개지지 않는 가장 작은 알갱이라고 믿어졌다. 그러나 원자 내부에도 원자핵과 전자가 들어있다는 것이 밝혀지면서 원자도 쪼갤 수 있을 것으로 생각하는 과학자들이 많았다. 그렇지만 실제로 실험을 통해 원자핵을 쪼갠 것은 러더퍼드가 처음이었다.

 

둘째, 양성자라는 알갱이의 존재였다. 원자핵이 (+)전기를 띠고 있다는 것을 실험을 통해 알고 있었지만, 수소의 원자핵인 양성자가 원자핵의 주요 구성 요소라는 것은 알지 못했다. 이 실험을 통해 러더퍼드는 수소 원자핵인 양성자가 모든 원자핵을 구성하는 기본적인 입자라는 것을 알게 되었다. 다시 말해 이 실험은 양성자를 발견한 실험이었던 것이다.

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/9378 ] 양극선의 발견과 양성자의 발견

 

 

 

러더퍼드는 중성 원자의 원자핵 속에 들어있는 양성자의 수가 원자핵 주위를 도는 전자의 수와 정확하게 같다는 것을 알아냈다. 양성자 발견으로 원자와 원자핵의 구성에 대해 많은 것을 알게 되었다. 양성자는 전자와 똑같은 양의 전하를 갖고 있지만, 무게는 훨씬 무겁다. 무거운 양성자는 원자핵을 만들고, 가벼운 전자는 원자핵 주위를 돌고 있다. 하지만 이것만으로는 원자의 성질을 모두 설명할 수 없었다.

 

 

 

원자가 전기적으로 중성이 되려면 원자핵에 들어있는 양성자수와 원자핵 주위를 도는 전자의 수가 같아야 한다. 그러나 원자핵의 무게는 원자핵에 들어있는 양성자 무게보다 훨씬 무거웠다. 이것은 풀 수 없는 수수께끼처럼 보였다.

 

 

 

양성자로 이루어진 원자핵과 그 주위를 도는 전자 외에도 원자를 구성하는 제3의 알갱이가 있는 것이 아닐까?

 

 

 

원자를 이루는 제3의 알갱이인 중성자를 발견하여 원자의 수수께끼를 풀어낸 사람은 러더퍼드의 제자인 채드윅이었다.

 

 

 

하지만 중성자를 발견하는 실험을 먼저 했던 사람은 방사능에 관한 연구에 일생을 바친 마리 퀴리의 딸 이렌 졸리오퀴리와 그녀의 남편 프레데리크 졸리오퀴리이다. 그들도 러더퍼드와 마찬가지로 원자핵에 α 입자를 충돌시키는 실험을 했다. 이 실험에서 정체를 알 수 없는 입자가 나온다는 것을 알게 되었다.

 

이 정체 모를 입자가 수소 원자핵과 부딪치면 수소 원자핵(양성자)이 초속 수 km의 속력으로 날아간다는 것을 발견했다. 하지만, 그들은 이 새로운 알갱이의 정체를 규명하지 못했다.

 

 

 

채드윅은 이 새로운 입자의 정체를 알아내는 실험을 시작했다. 1932년 채드윅은 몇 가지 실험을 통해 이 입자가 양성자와 거의 같은 무게를 가지며, 전기적으로 중성이라는 것을 알아냈다. 채드윅은 이것을 중성자라고 불렀다.

( 참고 https://en.wikipedia.org/wiki/Discovery_of_the_neutron )

 

 

 

이렇게 원자를 구성하는 3개의 입자가 모두 세상에 그 모습을 드러내게 되었다.

 

 

 

중성자의 발견으로 원자의 수수께끼는 모두 풀렸다. 원자핵 속에는 양성자 외에도 중성자가 들어 있었던 것이다. 원자의 종류를 나타내는 원자번호는 원자핵 속에 들어있는 양성자 수를 나타내고, 원자의 무게를 나타내는 원자량(질량수)은 원자핵 속에 들어있는 양성자 수와 중성자 수를 합한 것임을 알게 된 것이다.

 

원자 속에는 같은 수의 양성자와 전자가 들어있으므로 원자번호는 양성자 수 또는 전자 수를 나타낸다고 할 수 있다. 하지만 원자가 전자를 얻거나 잃어서 된 물질을 이온이라고 하는데, 이때 원자의 종류, 즉 원자번호를 결정하는 것은 전자 수가 아니라 양성자 수이다. 따라서 원자의 종류는 원자핵 속에 들어있는 양성자 수에 의해 결정된다는 것이 정확하다.

 

 

 

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/6994 ] nuclear notation. 원소기호 표기법

 

[ 관련 글 https://www.aps.org/publications/apsnews/200705/physicshistory.cfm ]

May 1932: Chadwick Reports the Discovery of the Neutron

By 1920, physicists knew that most of the mass of the atom was located in a nucleus at its center, and that this central core contained protons. In May 1932 James Chadwick announced that the core also contained a new uncharged particle, which he called the neutron.

 

 

 

 

 

[그림] 3명의 영국 물리학자. 톰슨, 러더퍼드, 채드윅.

> 조지프 존 톰슨 경 (Sir Joseph John Thomson)

> 제1대 러더퍼드 오브 넬슨 남작, 어니스트 러더퍼드 (Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson). 톰슨의 제자.

> 제임스 채드윅 경 (Sir James Chadwick). 러더퍼드의 제자.

 

[참고] 영국의 귀족(작위) 서열

> 공작(Duke), 후작(Marquess), 백작(Earl), 자작(Viscount), 남작(Baron)

> 준남작(Baronet), 기사(Knight)

 

 

 

 

[키워드] 양성자의 발견 기준, 러더퍼드 기준, 중성자의 발견 기준, 중성자의 발견 사전