전자와 원자핵

1817년 독일 화학자 요한 되베라이너는 3조원소이론을 내놓었다.  동일한 화학적 속성을 공유하는 원소들을 질량 순서로 세운 뒤 연속적으로 놓이는 원소들을 셋씩 묶어 살펴보면 (그래서 3조)세 원소들 중에서 가운데에 자리한 원소는 나머지 두 원소의 평균에 해당하는 질량을 가진다. 1859년 프랑스의 장 바티스트 뒤마는 원소를 넷씩 묶었다. 4조원소이론을 내놓았다. 원소의 화학적 속성에 주기성이 존재한다는 생각을 하기 시작했다.  영국 화학자 존 뉴랜즈는 1864년에 원소들을 주기적 성질에 따라서 배열한 표와 함께 옥타브법칙을 발표했다.  음악의 한 옥타브에서 여덟번째 음이 그 첫 번째 음과 같은 성질을 띠는 것과 마찬가지로  원소배열에서 어떤 원소에 이어 여덟 번째에 놓이는 원소는 그 첫 번째 원소와 비슷한 성질을 띤다. 뉴랜즈는 멘델레예프보다 먼저 주기율표를 만들었다. 1869년에 멘델레예프는 '원소의 성질과 원자량의 상관관계'라는 논문을 발표했다. 전세계 화학 수업시간에 주기율표라는 이름으로 소개되는 원소의 주기적 배열에 관한 법칙이 그 논문에서 나왔다.  논문 내용은 다음 일곱가지로 요약된다.

 

1. 원소를 원자량 순서로 배열하면 그 화학적 속성의 주기성이 드러난다. 

2. 세 원소가 비슷한 화학적 속성을 가질 때, 다음의 두가지 경우 중 하나에 해당한다. 세 원소의 질량이   비슷하든지, 아니면 원자량 사이의 차이가 일정하든지 

3. 주기율표에서 원소의 위치는 그 원자가에 대응되며,  원소의 화학적 속성에 관한 정보를 적어도  부분적으로는 제공한다. (원자가: 원소의 중요한 화학적 속성중 하나로 원소의 한 원자가 다른 원자와   결합할 수 있는 최대수, 예를 들면 수소는 한번에 하나의 원자하고만 결합하므로 수소의 원자가는 1이다.  네온 같은 원자는 다른 원자와 결합하지 못하는데 원자가가 0이다)

4. 자연에 많이 존재하는 원소들은 원자량이 작다.  항성의 핵합성, 다시 말해 항성 내부에서 원자들이   만들어지는 과정이 바로 그 법칙을 보여준다. 원자량이 118이나 되는 우누녹튬의 경우 존재가 확인된다고  하더라도 그 수명이 10만분의 몇초를 넘기지 못한다.

5. 원소의 원자량만 알면 그 화학적 속성을 밝힐 수 있다. 6. 당시 알려진 원자량 중에는 주기율표와 정확히 대응되지 않는 것들이 있었다. 멘델레예프는 내 표와 맞지   않으면 틀린 것이라고 자신 있게 주장했다. 그의 주장이 옳았다. 7. 일부 원소들이 주기를 건너뛰어 배열된다는 사실에 주목했다. 아직 발견되지 않는 원소들이 존재   한다는 증거로 보았다.

 

1600년 영국 의사 윌리엄 길버트는 호박성을 뜻하는 라틴어 ‘엘렉트리쿠스’라는 명칭을 썼다. 엘렉트리쿠스는 호박을 뜻하는 그리스어 엘렉트론에서 파생된 단어로 1891년에 조지 스토니는 전기원자, 아니 더 정확히는 전기입자에 엘렉트론 즉 '전자'라는 명칭을 붙인다.  조지프 존 톰슨은 영국의 물리학자로 1906년에 기체내의 전기 전도에 관한 이론적,  실험적 연구로 노벨 물리학상을 수상했다. 톰슨은 19세기말 음극선에 관한 실험을 했고, 1897년에 유리관주위에 전기장을 만들면 음극선을 굴절시킬 수 있음을 발견했다. 음극선이 전기를 띠고 있으며, 따라서 파동이 아니라 입자로 이루어져 있다는 실험적 증거를 얻은 것이다.  그 결과 모든 기체의 원자에서 전하가 나오는 현상이 일어나고, 굴절현상도 동일하게 나타난다는 결론을 얻었다.  조지 스토니가 예측한 전자의 존재를 실험적으로 증명한 것이다. 톰슨은 원자내부에서 일어나는 일을 알아내기 위해서 추론을 했다.  하나의 원자에는 전자가 여러개 들어있었다. 전자는 전기적으로 음성을 띠고, 원자 자체는 전기를 띠지 않았다.  톰슨은 음의 전하를 띠는 전자들이 양의 전하를 띠는 수프내부를 다소간 자유롭게 돌아다니고 있으며, 그래서 전체적으로 전기적으로는 중성이 된다는 결론을 내렸다.

 

어니스트 러더퍼드는 톰슨 제자로 방사성 물질이 내놓는 알파입자를 검출하는 기계를 개발했다.  가이거 계수기다. 알파 입자가 전하를 잃은 헬륨원자라고 확신하고 있었다.  방사성 물질을 분리해서 알파입자만 수거하는 방식의 실험으로 러드퍼드는 알파 입자가 든 장치 주위에서 모은 기체의 스팩트럼을 분석하여 그것이 주로 헬륨에 해당 한다는 것을 밝혔다. 알파입자가 음의 전하 즉 전자를 되찾아 헬륨원자로 바뀐 것이었다. 1909년 러더퍼드는 알파입자 흐름,  즉 알파선을 아주 얇은 금박에 쏘는 실험을 진행했다.  알파입자는 아무 어려움 없이 직선으로 금박을 통과했다.

 

입자들의 99.99%는 휘어지지 않았다는 점에서 원자는 대부분 빈공간으로 이루어져있다는 결론을 끌어낼 수 있었다. 휘어진 입자들은 양의 전하에 떠밀린 것인데 그 비율이 0.01%밖에 되지 않는다는 것은 원자에서 양의 전하가 차지하는 자리가 아주 작다는 뜻이었다.  러더퍼드는 원자에서 양의 전하 전체와 원자의 질량 대부분은 빈 공간에 둘러싸인 극히 작은 중심의 핵에 모여 있으며,  그 핵 주위를 돌고 있는 전자들이 우리가 지각할 수 있는 원자의 크기를 결정한다는 결론을 내렸다. 러더퍼드는 새로운 원자모형을 내놓는다.  러더퍼드 모형에서 전자들은 원자핵 주위를 돌때 같은 선상에서 돌지 않는다. 원자는 납작한 것이 아니라 구에 가까우며 원자핵으로부터 멀리 떨어져 있는 전자들이 핵주위에 아주 빠르게 돌면서 원자의 경계를 이룬다. 원자핵 주위를 도는 일은 전자입장에서는 에너지 소비에 해당한다. 제임스 클러크 맥스웰에 따르면, 가속도 운동을 하는 입자는 에너지를 방출한다.  에너지를 잃는다는 뜻이다.

 

러더퍼드는 알파입자를 수소에 충돌시키면 전기적으로 양성을 띠는 무엇인가가 나온다는 것을 알게 되었다. 더구나 그 무엇인가는 알파입자를 질소에 충돌시켰을때도 다량으로 나오는 것이 확인되었다. 그래서 질소 원자핵 안에 수소 원자핵이 들어있다는 결론은 내렸다. 그리고 수소가 가장 가벼운 원자핵을 가진 원자라는 점에서 수소의 원자핵을 그리스어로 첫때를 뜻하는 프로톤proton이라고 부르기로 했다. 프로톤은 양의 전하를 띠는 입자로서 원자핵에 존재하는 양성자를 발견하고, 다른 한편으로는 원자핵이 균일한 성질을 띠는 것이 아니라, 여러 구성 성분들로 이루어져있음을 알아낸 것이다.

 

제임스 채드윅은 러더퍼드의 제자들 가운데 가장 뛰어난 인물중 한명이다. 1932년 어느 날 채드 윅은 1932년 알파입자로 다양한 실험을 하고 있었다. 1930년 독일에서 발터 보테와 허버트 베커는 알파입자를 리튬과 베릴륨, 붕소에 충돌시키면 이 이 원소들에서 투과성이 강한 방사선이 나온다는 것을 발견했고, 그 방사선이 감마선이라고 생각했다. 1932년 채드윅은 그 방사선의 에너지를 정확히 측정했고, 문제의 방사선이 감마선이 아니라 질량은 양성자와 같으면서 전하는 0인 입자라는 사실을 밝혀냈다. 그 입자는 양성자와 같은 복합인자가 아니라 양성자와 단순 입자였으며 전기적으로 중성을 띠고 있었다.  그레서 채드윅은 그 입자에 중성자라는 이름을 붙었다. 원자는 원자핵과 핵 안에 자리 한다고 해서 양성자와 중성자, 핵에서부터 멀리 떨어져 그 주위를 도는 전자로 이루어져 있다. 원자는 전체적으로 중성을 띠며 원소는 핵안에 있는 양성자의 수로 구별되며 중성자수는 변할 수 있지만, 원자의 기본 성질은 달라지지 않는다.  대신 중성자 수가 다르며, 일부 속성이 바뀌는데 이런 경우 동위원소라고 한다.