중성자의 발견
1920년 영국의 물리학자 러더퍼드는 방사성 물질인 토륨을 이용한 실험에서 특이한 점 한 가지를 발견하게 됩니다.
토륨과 우라늄 같은 방사성 물질들은 우리가 흔히 알고 있는 방사능, 즉, 방사선을 방출하면서 다른 물질로 변해가게 되는데 이전까지는 이 방사선을 x선과 같은 빛, 즉, 눈에는 보이지 않는 고에너지의 전자기파일 것이라고만 생각했었죠.
하지만 러더퍼드는 실험을 통해 방사선이 전자기파인 감마선을 포함한 총 3종류로 분류되며, 이 중 질량과 운동에너지가 큰 입자들로 이루어진 방사선도 있다는 것을 발견하게 됩니다.
러더퍼드는 이 입자를 알파입자라 명명하였으며, 추후 이것이 우리가 흔히 풍선에 넣는 헬륨가스의 이온화 된 원자핵이라는 것도 밝혀내게 되죠. 러더퍼드가 원자핵을 발견하게 도와준 바로 그 알파입자 말입니다.
1932년 프랑스의 부부 물리학자인 졸리오-퀴리 부부는 베릴륨이라는 물질에 알파입자를 쏘는 실험을 진행하던 중
베릴륨이 탄소로 변해가면서 전기적 특성을 띠지 않는 무엇인가를 방출한다는 것을 발견하게 됩니다.
그리고 베릴륨에서 방출된 이 무엇인가가 탄소와 수소의 화합물인 파라핀 왁스에 부딪히면 수소원자핵, 즉, 양성자가 방출된다는 것도 발견하게 되죠.
졸리오-퀴리 부부는 베릴륨에서 방출되어 파라핀의 양성자를 튕겨내는 이 무엇인가를 고에너지의 전자기파일 것이라 보았습니다. 하지만 영국의 물리학자 제임스 채드윅은 이것을 다르게 보았습니다. 전자기파라고 하기에는 양성자를 튕겨낼 정도의 운동에너지를 지닌다는 것이 설명될 수 없었기 때문이죠.
러더퍼드는 흥미로운 사실 한 가지를 더 발견했는데요. 특정 원자의 질량이 해당 원자번호 만큼의 양성자와 전자의 질량을 더한 값보다 크다는 사실을 말입니다. 참고로 여기서 원자번호는 해당 원자의 양성자 개수를 의미합니다.
러더퍼드는 계산을 통해 이 양쪽의 무게 차이가 대략 원자핵 속의 양성자 질량만큼이 된다는 것을 알아냈죠.
그리곤 이 계산 결과를 통해 원자핵 안에 양성자 이외에 전기적 특성을 가지지 않는 어떠한 입자가 있을 것을 예측하곤
이 입자를 중성자라 명명하였습니다.
채드윅은 졸리오-퀴리 부부가 발견했던 의문의 방사선이 그의 스승 러더퍼드가 예측한 중성자일 것이라 예감했습니다.
그리곤 자신의 예감이 사실임을 실험들을 통해 증명해내게 되죠.
중성자 확인 실험
첫째로 파라핀의 양성자가 미지의 입자와 충돌하여 튕겨 나올 때 두 입자 간의 에너지 교환을 계산하였습니다.
참고로 충돌로 인한 양성자의 방출은 에너지보존법칙에 의한 질량이 비슷한 두 입자 간의 탄성 충돌 로 설명할 수 있습니다.
우리는 이것을 질량이 다른 세 공을 이용한 실험을 통해서 쉽게 경험해볼 수 있죠. 그리고 묘기당구가 그 대표적인 예가 될 것입니다.
둘째로 채드윅은 원소 간의 질량 보존법칙에 따른 질량 교환을 계산하여 중성자의 질량을 알아내게 됩니다.
다시 앞의 알파입자를 베릴륨에 충돌시키는 실험으로 돌아가 봅시다. 여기서 실험 전의 베릴륨 원자의 질량과 알파입자의 질량 그리고 충돌로 인해 변환된 탄소 원자의 질량을 안다면 우리는 튕겨 나온 중성자의 질량을 쉽게 계산해낼 수 있게 됩니다.
채드윅은 이러한 방법을 여러 물질에 적용해보며 중성자의 질량을 정확히 계산해내게 되죠.
그리고 그 값은 러더퍼드가 예측한 중성자의 질량과 일치했습니다. 이로써 미지의 존재였던 양성자와 전자 이외에
원자를 이루는 나머지 입자인 중성자가 실험적으로 밝혀 진 것입니다.
그렇다면 앞의 실험들은 이렇게 쉽게 설명 가능해집니다.
물질을 구성하는 모든 종류의 원자들은 양성자의 수에 따라 그 원자의 종류가 나뉘며, 원자의 질량이 클수록 더 많은 수의 양성자와 중성자를 지닙니다.
그런데 이 개수가 특정 개수 이상을 넘어가게 되면 원자핵이 지닐 수 있는 질량 한계치를 넘어 불안정한 원자핵이 됩니다. 마치 우리가 콘위에 아이스크림을 담을 수 있는 한계치가 있는 것처럼 말이죠.
여기에 대해서는 다음에 더 자세하게 다루도록 하겠지만, 이렇게 불안정한 원자핵은 안정적인 원자핵이 되기까지 계속해서 양성자와 중성자를 각각 2개씩 원자핵 밖으로 방출하여 다른 원자로 변하게 됩니다.
이것을 우리는 알파 붕괴에 의한 핵분열이라 하며, 방출된 양성자 2개와 중성자 2개로 구성된 입자가 바로 우리가 알파입자라 부르는 헬륨의 원자핵이 됩니다.
이제 방사성 물질에서 방출된 이 알파입자는 베릴륨에 도달하게 됩니다.
참고로 베릴륨은 양성자 4개와 중성자 5개로 이루어진 원자입니다.
이 베릴륨에 도달한 알파입자는 베릴륨의 원자와 결합하여 양성자 6개와 중성자 6개로 이루어진 안정적인 탄소원자로 변하게 됩니다. 그리곤 여분의 중성자 한 개를 방출하게 되죠.
오늘의 주인공인 바로 그 중성자 말입니다. 이렇게 방출된 중성자는 탄소와 수소의 화합물로써 많은 수의 수소 원자핵을 지닌 파라핀에 도달하게 됩니다. 그리곤 앞선 당구공의 예시처럼 중성자와 질량이 거의 같은 파라핀의 수소원자핵, 즉, 양성자를 탄성 충돌로 인해 밀어내게 되죠.
놀랍지 않습니까?
이렇듯 중성자의 발견으로 이후 물리학과 화학의 많은 부분이 설명 가능해지게 되면서 채드윅은 1935년 노벨물리학상을 받게 됩니다.
그리고 이 발견은 이후 인류 역사에 많은 영향을 미치게 되죠.
그렇다면 지금까지 발견된 전자, 양성자, 중성자가 물질을 이루는 최소단위의 입자일까요?
안타깝게도 여기엔 몇 가지 해결되지 않은 문제점들이 있었습니다.
그중에 한 가지는 이러합니다. 우리는 기본적으로 전자기력엔 다른 극끼리 끌어당기는 인력과 같은 극끼리 밀어내는 척력이 있다는 것을 잘 알고 있습니다.
그리고 그 힘은 거리가 멀수록 줄어들지만 결코 0이 되진 않죠.
그런데 같은 극을 지닌 양성자들은 도대체 어떻게 원자핵이라는 이 좁은 공간 안에 모여 있을 수 있는 것일까요?
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