지식더하기 원자 중심 그 35년간의 미스테리를 풀다

19세기 말까지 물리학자들은 우리가 만지는 책상이나 물 컵을 이루는 쪼갤 수 없는 가장 작은 알갱이, '원자(Atom)'가 폭신폭신한 건포도 식빵처럼 생겼다고 찰떡같이 믿었다. 빵 반죽(플러스 전기) 속에 건포도(마이너스 전자)가 콕콕 박혀서 뭉실뭉실하게 존재한다는 J.J. 톰슨의 '푸딩 모형'이었다. 하지만 1911년, 어니스트 러더퍼드라는 무식하고 고집 센 물리학자가 대포(방사선)를 쏴서 이 식빵을 갈기갈기 찢어버리며 물리학계의 멘탈을 박살 내버린다. 원자는 폭신한 빵이 아니었다. 원자의 99.99%는 텅텅 빈 깡통이었고, 그 한가운데에 미치도록 무겁고 딱딱한 돌멩이(원자핵)가 뭉쳐있었다는 충격적인 진실이 밝혀진 것이다. 그리고 이 좁은 돌멩이 속에서 발견된 끔찍한 모순(양성자들의 반발력)을 해결하기 위한 35년간의 기괴한 핵물리학 추리극을 쫓아가 보자.

대포알이 튕겨 나오다, 알파 입자 산란 실험

러더퍼드는 식빵 모양의 원자를 확인하고 싶어서 얇게 편 금박(금 원자)을 향해 총알(알파 입자, 플러스 전기)을 미친 듯이 쏘아댔다. 원자가 식빵처럼 폭신하다면 총알은 종이장을 뚫듯 슝슝 직진해서 통과해야 정상이다. 실제로 총알의 99%는 아무 저항 없이 통과했다. 그런데 만 개 중 한 개 꼴로 총알이 무언가에 꽝 부딪혀 '뒤로' 튕겨져 나오는 기적 같은 일이 벌어졌다. 러더퍼드는 이때의 충격을 "마치 휴지 조각에 15인치 대포를 쐈는데 대포알이 나에게 튕겨 돌아온 것 같았다"라고 회고했다. 이 튕겨 나온 총알이 증명한 것은 하나였다. 원자의 정중앙에 모든 질량이 미치도록 압축된, 아주 작고 단단한 플러스(+) 덩어리인 '원자핵'이 박혀있다는 진실이었다.

원자는 텅텅 비어있다

러더퍼드의 핵 모형에 따르면, 원자는 사실상 텅 빈 허공이다. 원자를 서울 잠실 야구장만 한 크기로 뻥튀기하면, 정중앙에 박혀있는 원자핵의 크기는 마운드 위에 놓인 '모래알 한 알' 크기밖에 되지 않는다. 그리고 콩알만 한 전자들이 야구장 관중석 끄트머리를 돌고 있는 것이다. 즉, 내 몸을 이루고 있는 원자의 99.999%는 텅 빈 '진공(허공)'이며, 우리는 텅 빈 원자들이 껍데기(전자 반발력)만 맞부딪히며 딱딱하다고 착각하며 살아가는 홀로그램 같은 존재들이다.

최대 미스터리, 핵은 왜 터지지 않는가?

원자핵을 발견한 물리학자들은 곧바로 끔찍한 패닉에 빠졌다. 원자핵 안에는 플러스(+) 전기를 띤 '양성자'들이 뭉쳐있었다. 자석의 N극끼리 밀어내듯(전자기력), 좁은 공간에 플러스들을 쑤셔 넣으면 서로 미친 듯이 밀어내서 0.0001초 만에 원자핵이 펑! 하고 터져버려야 정상이다. 그런데 원자핵은 수십억 년 동안 멀쩡하게 뭉쳐있었다. 우주의 가장 끔찍한 모순이었다. 도대체 무슨 힘이 플러스들의 폭발을 찍어 누르고 있는 걸까? 과학자들은 전자기력보다 무려 100배나 더 강력하게 입자들을 꽉 끌어안아 버리는 우주 최강의 접착제, '강한 핵력(강력)'이라는 미지의 힘이 원자핵 속에 숨어있다는 미친 가설을 세워야만 했다.

퍼즐의 완성, 중성자(Neutron)의 발견

이 접착제 역할을 물리적으로 증명한 것이 1932년 제임스 채드윅이 찾아낸 '중성자'다. 원자핵 속에는 양성자뿐만 아니라 전기를 띠지 않는(중성) 무거운 알갱이인 '중성자'가 섞여 있었다. 이 중성자들이 화가 잔뜩 난 양성자들 사이사이에 끼어들어가 완충재(스펀지) 역할을 해주면서 끈적한 강력(접착력)을 뿜어낸 덕분에, 양성자들이 튕겨 나가지 않고 원자핵이 얌전하게 뭉쳐있을 수 있었던 것이다. 이로써 35년간 물리학계를 괴롭힌 원자의 뼈대가 비로소 완벽하게 맞춰졌다. ![빨간색 양전하를 띤 여러 개의 양성자가 서로를 격렬하게 밀어내려 하지만 슈퍼 글루 고무줄처럼 작용하는 빛나는 마법의 힘(강한 핵력)에 의해 단단히 결합되어 있는 미세한 다이어그램](https://image.pollinations.