[1].
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알파 입자 대부분은 금박을 통과했는데 1909년에 그 사람들은 금박에 부딪히고 90도 이상 각도로 산란하는 알파 입자를 발견했다.
물리상 어떤 물체가 충돌 한 후 90도 이상 각도로 튀어나오려면 충돌된 물체의 질량이 이 물체의 질량보다 커야 한다.
러더퍼드는 이 결과를 원자에 양전하가 뭉쳐 있을 듯하다고 해석했다
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: 금박이 얇으니 금박이 한겹의 원자로 이루어져 있다고 확신하는 것일까요,
아니면 어떠한 이유로 충돌은 한 번 밖에 없었다고 확신하나요?
물론 대부분의 입자는 통과했기 때문에 충돌해봤자 한번 밖에 충돌하지 않았다고 생각할 수도 있겠네요.
그렇다고 실험에서 90도 안쪽으로 휘어진 입자가 없다는 것은 아닐테고
가끔 90도 바깥 각도로 휘어진 입자도 있다는 것인데,
이는 두 번 이상 충돌했거나
초기 속도가 이상할 정도로 빨랐거나,
과하게 걸린 스핀 에너지 등의 원인도 있을 수 있습니다.
다른 여러 요인들을 죄다 생략해버리고,
너무 실험 결과를 자신이 예상한 요인들에 한정해서
실험 결과에 대한 왜곡된 해석을 했을 가능성도 있습니다.
[2].
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러더퍼드는 황화아연 섬광막과 이온화 상자에 알파 입자를 발사한 후 알파 입자의 개수와 전하를 측정했고
총 전하를 알파 입자의 개수로 나누어 알파 입자가 +2 전하를 띤 다는 사실을 알아냈다.
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: 입자의 개수를 세었다고 주장하고 있는데,
입자를 한개씩 정확히 컨트롤하고 직접 관찰하면서 셀수 있는 능력을 갖추고 있지는 못했을 것이고,
어떻게 입자의 개수를 세었는지
그 측정과 추리 방식이 매우 중요합니다.
당연히 기존의 이론들까지 동원되었을 것입니다.
측정과 계산 과정, 사용한 화학식 이론 등 모든 자료에 대한 철저한 검토가 필요합니다.
...... [2023-11-21] IIS 지식정보네트워크.
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러더퍼드
방사선 연구
알파입자
1895년 뢴트겐이 엑스선을 발견하고 앙리 베크렐이 우라늄에서 방사선 방출을 발견하자 기체 방전 현상을 함께 연구한 러더퍼드와 영국의 캐번디시 연구소장이었던 조지프 존 톰슨은 엑스선으로 기체에 전기가 흐를 수 있다는 사실을 알아냈고 이렇게 얻은 전도성이 기체를 유리 양모나 전기가 흐를 물질로 지나가게 하면 없어진다는 사실을 이용해 엑스선이 입자로 이루어졌다는 사실을 알아내 엑스선이 양전하와 음전하를 띈 수많은 입자를 만들어내는 사실을 알아냈다. 1896년 러더퍼드와 톰슨은 실험을 이용해 전하를 띈 입자나 이온화 원자가 결합해 전하를 띄지 않는 분자를 만들어낸다는 사실을 알아냈다.
1898년 우라늄과 토륨에서 발견된 두 가지 형태의 방사성 기체(에머네이션)를 발견하고 투과능을 기준으로 알파선과 베타선이라고 명명한 러더퍼드는 알파선은 쉽게 이온화하지만 공기를 뚫지 못하고 베타선은 잘 이온화하지 않지만 두꺼운 물질도 통과 가능하다는 사실을 알아냈다.
1898년 톰슨이 추천한 덕분에 몬트리올에 있는 맥길 대학교로 오라는 제의를 받아들여 맥길의 물리학 연구소장이 된 러더퍼드는 좋은 실험실과 실험실에 있는 희귀했던 방사성 물질인 브롬화 라듐을 사용할 수 있었으며, 프레더릭 소디를 만나서 함께 연구했다. 그 사람들은 방사성 원소인 토륨과 우라늄이 어떻게 정해진 비율로 방사선을 내면서 붕괴하여 시간이 지나면서 여타 원소로 바뀌고 결국 납이 되는지를 알아냈다. 러더퍼드는 방사성 원소들이 일정 양의 절반이 붕괴되는 시간이 일정하다는 사실을 알아내고 그 기간을 방사성 원소의 반감기라고 불렀다. 러더퍼드는 반감기가 물질의 양에 상관없이 일정하다는 사실을 이용해 지구의 연대를 측정했고 당시 켈빈이 제안한 약 6천 년보다 훨씬 오래되었다고 설명했다.
1902년, 러더퍼드와 소디는 방사선이 원자 내부의 붕괴에 의해 방출된다는 사실을 논문 〈방사선의 원인과 본질〉으로 발표했다. 모든 원소는 다른 원소로 바뀌지 않는다는 존 돌턴의 원자설이 사실로 수용된 당시에 이 이론은 물질관에 커다란 변화를 일으켰다.
영국으로 돌아와 알파선을 연구한 러더퍼드는 황화아연 섬광막과 이온화 상자에 알파 입자를 발사한 후 알파 입자의 개수와 전하를 측정했고 총 전하를 알파 입자의 개수로 나누어 알파 입자가 +2 전하를 띤 다는 사실을 알아냈다. 1907년에는 알파 입자를 아주 얇은 유리를 투과해 진공관으로 들어가게 했다. 알파 입자를 모은 후 진공관을 방전하게 하자 진공관에서 나오던 스펙트럼이 달라졌다. 이 스펙트럼은 헬륨 원소의 선 스펙트럼과 일치했고 알파선이 헬륨 원자라는 사실을 밝혀냈다.
가이거-마즈든 실험
알파 입자 산란 실험
한스 가이거와 어니스트 마즈든은 알파 입자를 금박에 뿌리는 실험을 했다. 폴로늄을 납으로 된 용기에 넣고 한쪽에 구멍을 뚫어 알파 입자가 나올 수 있게 했다. 이 알파 입자는 금박을 향해 발사되었고 금박 주위를 둘러싸고 있던 황화아연을 이용해 알파 입자가 어느 위치로 산란했는지 알 수 있었다. 알파 입자 대부분은 금박을 통과했는데 1909년에 그 사람들은 금박에 부딪히고 90도 이상 각도로 산란하는 알파 입자를 발견했다. 물리상 어떤 물체가 충돌 한 후 90도 이상 각도로 튀어나오려면 충돌된 물체의 질량이 이 물체의 질량보다 커야 한다. 러더퍼드는 이 결과를 원자에 양전하가 뭉쳐 있을 듯하다고 해석했다. 1911년에서 1913년까지 가이거와 마즈든은 고에너지 알파 입자를 금박에 계속 뿌렸고 산란된 알파 입자 개수를 산란 각도 함수로 표현했다.
톰슨 모형에 의하면 모든 알파 입자는 처음 뿌려진 각도에서 작은 각으로만 산란해야 하지만 가이거와 마즈든은 140도 이상으로 산란되는 알파 입자를 관찰했다. 러더퍼드는 실험 결과에서 한 점에 양전하가 집중되는 작고 무거운 핵 존재를 밝혀냈다. 알파 입자가 핵 가까이 지나갈 때 알파 입자와 핵의 강력한 척력을 이용해 경로가 크게 벗어나는 현상을 설명할 수 있었다. 러더퍼드는 이 산란을 다룬 러더퍼드 공식을 유도했고 가이거와 마즈든의 실험 결과와 높은 정밀도로 일치했다. 러더퍼드는 가이거-마즈든 실험을 토대로 개발한, 톰슨 모형과 다른 새로운 원자 모형에서 원자는 가운데에 작지만 질량이 크고 양전하가 집중된 핵이 있고 작은 전자들이 그 둘레를 도는 전자로 표현된다.
최초 원자핵 분열과 중성자 예측
1919년 러더퍼드는 방사성 원자가 어떻게 쪼개지고 어떻게 다른 원소로 붕괴 가능한지를 다룬 생각을 토대로 핵에서 입자 몇 개를 방출하게 하면 원자를 변환하게 할 수 있다고 생각했다. 대기 중의 질소에 알파 입자를 충돌하게 하자 수소 원자핵이 방출하면서 산소가 생성했다. 이것이 최초 원자핵 분열 사례다. 1920년 양성자의 척력에 의한 핵 붕괴를 막는 중성자 존재를 예측했다. 이 예측은 12년 후 제임스 채드윅에 의해 발견되었다.
