러더퍼드 원자 모형, 건포도 빵을 산산조각 낸 알파입자 실험

과학자들은 원자가 '건포도 빵'처럼 생겼다고 진심으로 믿고 있었다

만약 누군가 "너의 몸은 건포도 빵으로 만들어져 있어"라고 하면 어떨 것 같아요? 웃기죠? 그런데 1900년대 초, 전 세계에서 가장 똑똑하다는 과학자들이 진짜로 그렇게 믿고 있었어요.

당시 유명한 과학자 J.J. 톰슨은 원자의 모습을 이렇게 설명했어요. 플러스(+) 전기를 띤 부드러운 반죽이 쭉 퍼져 있고, 그 안에 마이너스(-) 전기를 띤 작은 알갱이들이 건포도처럼 콕콕 박혀 있다고요. 이걸 '건포도 빵 모형', 영어로는 '플럼 푸딩 모델'이라고 불렀어요. 듣기엔 귀엽지만, 이게 당시 물리학 교과서의 정답이었어요.

문제는 아무도 원자 안을 직접 들여다본 적이 없다는 거예요. 원자는 너무너무 작아서 눈으로 볼 수 없거든요. 머리카락 한 가닥의 두께 안에 원자가 약 50만 개나 들어가요. 그래서 과학자들은 상상으로 모형을 만든 거예요. 그런데 뉴질랜드에서 온 한 고집 센 과학자가 이 건포도 빵을 의심하기 시작했어요.

금박지에 총알을 쏘았더니, 어떤 총알이 되튕겨 나왔다!

그 고집 센 과학자가 바로 어네스트 러더퍼드예요. 뉴질랜드 시골 농장에서 자란 그는 장학금 하나로 영국까지 건너가 공부한 사람이었어요. 러더퍼드는 생각했어요. "원자가 진짜 건포도 빵이라면, 증거를 보여줘 봐."

그래서 1909년, 아주 기발한 실험을 시작해요. 알파 입자라는 아주아주 작은 총알을 금박지에 쏜 거예요. 금박지는 얼마나 얇았냐면, 금을 머리카락 두께의 1000분의 1까지 납작하게 두드린 거예요. 만약 원자가 정말 부드러운 반죽 같은 구조라면, 총알은 전부 슝슝 뚫고 지나가야 해요. 마치 야구공을 솜사탕에 던지면 그냥 통과하는 것처럼요.

실제로 대부분의 알파 입자는 그대로 통과했어요. 그런데요, 약 8000개 중 1개가 갑자기 뒤로 튕겨 나온 거예요! 러더퍼드는 깜짝 놀라서 이렇게 말했어요. "이건 마치 휴지 한 장에 대포알을 쐈는데 대포알이 되돌아온 것과 같다!" 부드러운 반죽이면 절대 일어날 수 없는 일이었어요. 원자 안에 뭔가 아주 단단하고 무거운 덩어리가 숨어 있다는 뜻이었죠.

원자는 빵이 아니라 거의 텅 빈 우주였다, 그리고 물리학이 완전히 뒤집혔다

러더퍼드가 밝혀낸 진실은 충격 그 자체였어요. 원자 안에는 '핵'이라고 부르는 아주 작고 무거운 덩어리가 중심에 있고, 나머지 공간은 거의 텅 비어 있었던 거예요. 그 비율이 얼마나 심했냐면요, 만약 원자를 축구장 크기로 키운다면 핵은 한가운데 놓인 모래알 하나 정도밖에 안 돼요. 나머지는 전부 빈 공간이에요!

이건 마인크래프트 맵 전체에서 딱 한 블록만 뭔가 있고 나머지는 공기인 것과 비슷해요. 우리 몸도, 책상도, 급식 트레이도 사실은 거의 텅 빈 것들로 이루어져 있다는 뜻이에요. 생각만 해도 소름 돋지 않아요?

러더퍼드의 발견은 물리학을 완전히 뒤집어 놓았어요. 과학자들은 이 작은 핵 안에 엄청난 에너지가 숨어 있다는 걸 깨달았고, 여기서 '핵물리학'이라는 완전히 새로운 학문이 태어났어요. 러더퍼드는 그래서 '핵물리학의 아버지'라고 불려요. 그리고 이 모래알 같은 핵 하나가, 우리가 사는 세상을 놀라운 방식으로 바꿔 놓게 돼요.

병원 MRI부터 원자력 발전까지, 그 작은 핵 하나가 네 일상을 움직이고 있다

러더퍼드가 찾아낸 원자핵, 그 모래알 하나가 지금 여러분의 하루를 어떻게 움직이고 있는지 알려줄게요. 혹시 병원에서 MRI 찍어 본 적 있어요? 큰 통 안에 들어가서 '웅웅' 소리를 듣는 그 검사요. MRI는 우리 몸속 원자핵의 성질을 이용해서 뼈와 근육 사진을 찍어요. 원자핵을 몰랐다면 이 기계는 존재할 수 없었어요.

집에서 쓰는 전기도 마찬가지예요. 한국 전기의 약 30%는 원자력 발전소에서 나와요. 원자핵을 쪼갤 때 나오는 어마어마한 에너지로 전기를 만드는 거예요. 여러분이 스마트폰을 충전하고, 유튜브를 보고, 에어컨을 틀 때 그 에너지의 일부는 러더퍼드가 발견한 그 작은 핵에서 시작된 거예요.

놀랍지 않아요? 100년도 더 전에, 금박지에 작은 총알을 쏘던 실험 하나가 지금 우리의 병원, 발전소, 심지어 우주 탐사선까지 움직이고 있다니요. 러더퍼드는 이런 말을 남겼어요. "과학은 물리학 아니면 우표 수집이다." 좀 건방지죠? 하지만 모래알 하나로 세상을 바꾼 사람이니까, 그 정도는 할 수 있지 않을까요?