물체에 X선 쏘면 2가지 X선 복사, 산란 효과, 양자 효과
산란 현상으로 전자의 개수 예측, 특성 복사 X선 전자기파의 일종 밝혀
[문화뉴스 MHN 권성준 기자] 원소 주기율표를 보면 원자 번호 순으로 원소를 나열한다. 멘델레예프가 주기율표를 만들 때는 각 원소들의 성질과 질량비 순서로 주기율표를 만들었다. 그렇게 해서 매긴 번호가 원소 번호였다.
원소 번호의 숫자는 정확하게 원자핵의 양성자 숫자랑 일치하는데 생각해보면 원자를 구성하는 양성자 숫자가 더 많으면 무거운 것이 당연하다. 원자는 중성이므로 원자핵의 숫자와 정확하게 동일한 숫자의 전자가 들어간다.
현대에는 원자 모형이 대중에게까지 널리 알려졌기 때문에 당연한 보편 지식으로 여겨지지만 사실 원자론은 1911년 러더퍼드의 알파 입자 산란 실험이 있기 전까지 과학계에서 받아들여지지 않는 이론이었다.
러더퍼드의 발견 당시만 하더라도 위에서 설명한 것과 같은 원자 구조를 예측하지 못하였다. 중심에 원자 대부분의 질량을 가지고 양전하를 띠는 원자핵이 있는 것은 알고 있었지만 원자 번호 사이의 비율과 실제 원자의 질량의 비율이 딱 맞아떨어지지 않는다.
이유는 원자핵에 있는 중성자 때문이다. 원자핵은 원자 번호와 같은 숫자의 양성자가 존재하고 중성자들이 존재하여 강력과 상호 작용하여 양성자가 쿨롱 반발력에 의해 흩어지지 않도록 모아준다. 하지만 중성자는 1932년 제임스 채드윅이 발견하기 전까지 알려지지 않았다.
원자핵 내부의 중성자의 개수는 다소 규칙성이 없이 들어가 있으며 이 때문에 원자 번호와 질량비가 정확하게 맞지 않았다. 러더퍼드가 이어진 실험을 통해 양성자의 존재를 발견하고 원자 번호와 양성자의 개수 사이에는 모종의 관계가 있다는 사실을 알아내었다.
찰스 바클라
이 관계를 구체적으로 밝혀낸 사람은 찰스 바클라라는 물리학자였다. 그는 원자핵의 구조를 알아보는 것이 아닌 원자를 구성하는 전자의 개수를 이용하여 원자 번호와 원자 구조의 관계를 밝혀내었다.
20세기는 과학 혁명의 시대라 불렸는데 19세기 후반에서 20세기 초반에 이루어진 발견들이 과학 혁명을 이끄는데 큰 역할을 하였다. 이 시기의 가장 중요한 발견 중 하나는 빌헬름 뢴트겐의 X선의 발견이다.
뢴트겐은 발견 당시 너무나 신기하고 정체를 알 수 없는 빛이라는 의미에서 X선이라는 이름을 붙여주었고 당시 과학자들의 가장 큰 관심거리 중 하나였다. 바클라도 X선을 연구한 물리학자 중 한 명이었다.
당시에 발견되었던 X선의 특징 중 하나는 어떤 물질에 X선을 입사하면 X선을 흡수한 물질이 다시 X선을 방출하기 시작하는 현상이었다. 바클라는 이 현상에 관심을 가지고 연구를 시작하였다.
바클라는 다시 방출하는 X선이 두 가지 종류로 나뉜다는 사실을 발견하였다. 하나는 입사한 X선과 완전히 동일한 성질의 X선이 방출되는 것이다. 이 현상은 X선이 원자에 충돌하여 산란되었기 때문에 일어나는 현상으로 이해하였다.
바클라는 X선을 입사하는 각도를 바꿔가면서 쏘았다. 이렇게 한 이유는 어느 한 각도로 광선을 쏘면 물체의 구조에 따라 반사하는 각도가 조금씩 다르다. 만약 평평한 거울로 레이저를 쏘면 한 방향으로만 반사하지만 불균일한 거울이라면 표면의 구조에 따라 다양한 반사각으로 반사될 것이다.
입자빔도 마찬가지의 논리가 적용되며 이러한 현상을 산란이라고 한다. 물론 당시에는 X선의 성질이 밝혀지지 않았지만 입자이던 파동이던 관계없이 입사각을 조절하여 반사되어 나오는 신호를 분석하면 물체의 내부 구조를 알 수 있다. 사실 러더퍼드의 실험 또한 같은 원리를 이용한 것이었다.
바클라는 반사되어 나오는 X선 신호를 분석하였다. 헬륨 원자핵은 전자와 충돌하여도 질량이 너무 커서 거의 영향을 받지 않아서 러더퍼드의 실험은 원자핵을 발견하는데 그쳤지만 X선은 전자기파이기 때문에 전자와 충돌하더라도 잘 산란 되었고 바클라는 결국 원자 내부의 전자 개수를 구하는데 성공하였다.
에너지 복사가 일어나는 원리
바클라의 발견은 여기서 그치지 않았고 X선이 다시 복사되는 2차 복사 때 방출되는 또 다른 종류의 X선을 분석하였다. 이 복사선은 입사된 X선과는 다른 성질을 지니고 있었지만 X선을 입사한 물질에 의존하는 성질을 가지고 있었다.
만약 X선을 탄소에 쏘면 탄소에 해당하는 2차 복사 X선이 나왔고 산소에 쏘면 산소에 해당하는 X선이 나왔다. 바클라는 이러한 유형의 복사를 특성 X선 복사라고 명명하였다. 바클라는 오직 원소의 종류만이 2차 복사에 의존한다는 사실을 알아내었다. 이는 원자가 X선을 흡수한 뒤 특정 파장의 X선을 방출한다는 의미이다.
바클라는 여기에 X선의 회절 현상도 발견하여 X선이 전자기파의 일종임을 밝혀내었고 2차 복사는 전자기파를 흡수한 원자가 정해진 파장의 방출 스펙트럼을 내는 것으로 생각하였다. 이 발견은 이후 과학 혁명의 핵심인 양자역학이 탄생하는 데 기여를 하였다.
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[MHN과학] 원자 속 전자의 갯수는 어떻게 알 수 있을까? 1917 노벨 물리학상: X선
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산란 현상으로 전자의 개수 예측, 특성 복사 X선 전자기파의 일종 밝혀