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울진게시판
 원자핵 발견 실험 장치들(16회)
 작성자 : 주승환      2005-08-01 13:00:00   조회: 2366   
원자A16f.hwp 2004/11/21

《주승환의 원자력 세상 보기(16): 원자핵 발견 실험 장치들》

〈알파 알갱이들은 헬륨 원자〉

러더퍼드는 캐나다 맥길 대학에서 방사능 원소들을 연구하다가 이것들이 아주 복잡하게 서로 얽혀있긴 해도, 규칙적으로 어떤 과정들을 거처가면서 새로운 원소들로 바뀌는, 원소의 ‘변환과정’들을 발견하게 된다. 그는 그런 방사능 원소들의 변환들을 발견해낸 공로로 1908년 노벨 화학상을 받았다. 그때 그의 나이는 37세였다.

상을 받던 그날 밤, 그는 기념강연을 했다. 이전에 썼던 한 논문에서 알파 알갱이들이 헬륨원소(He)의 물성과 닮았다고 밝힌바 있었다. 닮은 점들은 알파 알갱이들의 무게는 헬륨의 것과 같았고, 화학적 성질도 같았다. 다른 점은 헬륨에는 없던 플러스의 전기를 띠는 것(전자가 없어진 것)이 알파 알갱이들에게는 있었다. 우라늄 광물을 실험하다가 광물 틈새(격자)들 속에 끼어있던 많은 헬륨 가스를 발견하고 나서는, 우라늄에서 튕겨져 나온 ‘알파선’이 헬륨원소로 변환된 것이라고 단정했던 적은 있었다. 그는 기념강연에 참석한 사람들 앞에서 방사능 원소들이 규칙적으로 변환되는 현상들의 한 실험 사례를 설명했다.

얼마 정도의 라돈(Rn) 가스를 준비했다. 라돈 가스는 퀴리 부부가 발견한 라듐(Ra) 원소에서 라듐의 변환으로 생겨난다. 라듐을 담아둔 병 속에서는 라돈 가스가 많이 들어차있었다. 유리를 세공하는 전문 기술자에게 아주 얇은 유리관을 만들게 주문했고, 그 속에 라듐 병 속의 라돈가스를 옮겨 넣고, 새지 않게 밀봉토록 부탁했다. 그리고는 보다 큰 다른 유리관을 따로 준비하여 라돈가스가 담긴 작은 유리관을 큰 유리관 속에 넣고, 공기를 완전히 빼낸(진공 시킨) 다음, 큰 유리관도 밀봉해버렸다.

며칠 후, 라돈 가스에서 튀겨져 나온 알파 알갱이들은 안쪽의 얇은 유리관 벽을 뚫고 겹으로 둘러싼 큰 유리관 속으로 빠져 나와 헬륨으로 변환됐다. 큰 유리관 속에서는 헬륨 가스가 현란한 빛(스펙트럼)을 냈다고 힘주며 설명했다.

참고로, 이런 원리를 이용한 비상용 등이 10여 년 전에 개발된 적이 있었다. 보통 형광등처럼 만든 전구 속에 베타선을 내는 3중수소를 넣어 두면, 전기의 흐름 없이도 그 베타선 때문에 밝은 빛을 낸다. 큰 건물 지하에서 정전사고 때 정전이 될지라도 그 등의 불빛은 살아있어 안내판 역할을 해준다. 3중수소의 방사선 안전 문제 때문에 쓰임에 제한을 받고 있다.

〈러더퍼드와 맨체스터 대학〉
1907년 러더퍼드는 캐나다 맥길 대학(1898년에 옴)을 떠나 영국의 맨체스터 대학교 물리학과 교수로 다시 귀국했다. 거기에는 독일 물리학자 가이거(Hans Geiger)와 형광물질인 황화아연(ZnS)으로 방사선 실험에 열중하던 어니스트 마스덴(Ernest Marsden)도 전임자의 연구를 돕고 있었다. 러더퍼드는 그들과 함께 일하면서 20세기 벽두부터 근 30년 가까이 핵물리학을 발전시키는데 큰 업적을 남겼다. 가이거는 나중에 방사선 검출기의 하나인 “가이거 카운터”를 고안한다. 그런 업적 외에도 가이거 카운터를 개량하여 방사선 측정 장치들을 개선시키는 데 큰 기여를 했다. 러더퍼드는 타고난 굵직한 음성 때문에 맨체스터 대학에서 “추장”이란 별명으로 불렸다.

맨체스터 대학은 200여 년 전에 돌턴(John Dalton)이 원자 이론을 다시 부활시켰던 곳으로도 유명하다. 그리고 유대계 러시아인으로서 생화학자이던 바이츠만(Chaim Weizmann)이 아세톤이란 화학물질을 만들 생화학 방법을 연구하던 곳이기도 하다. 아세톤은 대형 화포의 폭탄 화약인 코다이트(cordite)를 만드는데 쓰일 아주 귀중한 재료이다.

바이츠만은 팔레스타인에 이스라엘 국가를 탄생시키는 데 결정적인 역할을 했던 과학자였다. “벤푸어 선언”으로 불리게 된 것은 영국 해군성 장관이던 벤푸어가 1차 세계대전 때, 국가에 공헌한 바이츠만 박사의 권고를 받고나서 영국정부가 선언한 것이며, 이스라엘 국가를 다시 세우는데 큰 역할을 한다. 그는 초대 이스라엘 대통령이 됐다. 나중에 기회가 닿으면 그의 과학자 본연의 양심을 알아보려한다.

〈알파선의 산란 실험 도구들〉
러더퍼드는 1907년 9월부터 맨체스터 대학에서 강의를 시작했다. 그는 알파 알갱이들의 ‘산란 실험’(실험할 물질에 알파 알갱이들을 쏘아 방사선들이 흩어지면서 튀겨 나오는 것을 측정하여 실험 물질의 물성을 밝혀낼 실험) 계획을 세웠다. 약 2년 가까이 알파 알갱이의 물성을 깊이 조사하였고, 그런 일을 하면서 알파 알갱이가 원자의 연구에 아주 쓸모 있는 한 도구임을 알게 된다. 그때까지는 원자 연구에 쓰인 것이 전자 하나뿐이었다. 알려진 전자의 무게는 원자 무게의 1/1830 정도였으므로 아주 가벼운 망치였다. 그것 보다는 약 1만 배나 더 무거운 알파 알갱이의 망치를 가지고 원자를 때려볼 실험계획을 세웠던 것이다.

원자 모델은 앞서 얘기대로 아직은 막연한 추측에 머물고 있었다. 다만, J. J. 톰슨이 음극선 관찰에서 튀겨나는 전자들을 보고 원자의 푸딩모델을 그려본 것이었지, 그 반대인 양성자는 어떤 위치에 있는지, 어떤 모습인가는 누구도 알지 못했다. 그리고 원자는 딱딱한 고체 덩어리로만 알고 있었다. 러더퍼드가 노벨상 만찬장에서 한 말은 이를 뒷받침한다. “나는 원자를 딱딱한 친구이자, 취향에 따라 빨강 또는 회색을 띠게 보도록 훈련을 받아왔다.”

사실, 러더퍼드의 말대로, 영국 캐번디시 연구소로부터 배웠던, 원자의 생김새와는 전혀 다른, 원자의 다른 모습을 러더퍼드는 맥길 대학에 있을 때인 1906년에 벌써 걸음마 수준이던, 알파 알갱이들의 ‘산란 실험’을 해오면서 원자 속이 텅 빈 공간일 것이라고 짐작하고 있었다. 그 사실을 우회적으로 지적하여, 스승님들이 믿고 있었던, “딱딱한 원자의 학습”을 받았던 사실을 강조했던 것은 아니었을까?

러더퍼드 외에도 그런 생각을 했던 학자도 있었다. 1903년 독일 물리학자, 필립 레나르트(Philipp Lenard)는 원소들에 음극선(전자)을 쏘아보는 실험을 하면서 “1 세제곱미터의 백금 덩어리가 차지하는 공간은 마치, 지구 밖의 별들이 차지할 공간처럼 텅 비어있다.” 러더퍼드가 짰던 실험계획은 그 일을 확인해보려는 스케줄이었다.

필자는 지금까지 제 글에 접속할 네티즌들 중에 학생이나 교사들도 있다는 생각을 미처 하지 못했다. 그래서 그림으로 설명할 생각을 하지 않았다. 한 네티즌의 댓글은 필자에게 그런 사실을 일깨운다. 과학은 그림을 곁들이면 이해가 더욱 쉬워진다. 부족한 필자의 그래픽 실력 때문에 그 일을 하려면, 아직은 남의 도움을 받아야 한다. 원자핵 발견 실험에서 가장 대표적인 러더퍼드의 알파 산란 실험을 그림으로 그려본다.

아래 그림은 러더퍼드가 맥길 대학에서 했던 알파선의 산란 실험 배치 모형을 그린 것이다. 실험 도구란 각 1 개인 알파 알갱이 소서, 금박지를 입힌 판, 스크린, 스크린에 알파 알갱이가 바로 쬐는 것을 막아줄 납판 그리고 알파선이 금박지에 부딪치고 나서 입사각의 90도로 꺾여 반사될 알파선이 스크린에 비췰 빛을 관찰할 현미경 들 뿐이다. 특별히 어려운 것은 없다. 아주 간단한 개별 장치들을 서로 적당하게 배치해둔 것일 뿐이다. 다만, 눈여겨봐야할 것은 금박지 대신, 거기에 다른 시험할 물질을 엷게 펴서 바꿔치기하면, 여러 가지 금속들의 물성을 그 장치로 실험할 수 있다. 그림에서 볼 수 없는 것은 현미경으로 연약한 빛을 관찰하려면, 어두운 암실에서 그런 실험을 해야 한다.




그림 : 러더퍼드의 알파선 산란 실험


※울진21닷컴 홈피 댓글에 의견 올린 네티즌에게 질문합니다. 죄송하지만, 귀하의 질문 요지를 알 수 없으니 다시 한번 풀어서 질문해 주세요. 글 내용과 전혀 관계없는 “러더퍼드의 뇌”를, 동시대 사람이 아닌 필자가 어떻게 알 수 있을 지 그 해법도 포함해서요.

<로또의원
'지구종말론'이 헛소리요.그헛소리가 '환경단체'의 타이틀이라.주박사 당신의 지식은 누굴위해 존재하오.그'러드퍼드'가 단순'셈'땜에 '종말'이라는 헛소리를 했을것 같소.당신은 깜박 헛소리했던 '러드퍼드'의 뇌를 이해나 하는거요.당신은 누굴 위해 사오.원자력을 위해서요.당신이 가진 정자들을 위해 사오.한심한 박사요.
2004.11.17>




2005-08-01 13:00:00


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