원자에서 원자핵까지: 작다는 건 얼마나 작을까요?

원자는 아주 작은 중심을 둘러싼 빈 공간이 대부분입니다. 그 중심을 이야기하려면 새로운 단위가 필요합니다.

• 일반적인 원자의 지름은 약 10⁻¹⁰ m입니다. 이는 0.1 나노미터, 즉 1 옹스트롬입니다.
• 원자핵의 지름은 약 10⁻¹⁵ m에서 10⁻¹⁴ m 사이입니다. 이 크기에 사용하는 단위는 펨토미터(fm)이며, 1 fm = 10⁻¹⁵ m입니다. 양성자 하나의 지름은 2 fm보다 조금 작고, 납처럼 큰 원자핵의 지름은 대략 14 fm입니다.

따라서 원자핵은 원자보다 대략 10⁴에서 10⁵배 작습니다. 반대로 말하면 원자핵의 크기와 원자 크기의 비는 약 10⁻⁵입니다. 원자핵을 완두콩 크기(약 1 cm)로 확대한다면, 그 원자는 100 m에서 1 km 사이의 크기가 됩니다. 이는 축구장부터 작은 마을까지에 해당하며, 그 한가운데에 완두콩 하나가 있는 셈입니다.

질량의 거의 전부는 원자핵에 있습니다. 양성자와 중성자는 각각 질량이 약 1.67 × 10⁻²⁷ kg입니다. 전자는 약 1,836배 더 가볍습니다. 원자 전체를 합쳐 보면, 원자핵은 부피의 약 10⁻¹⁵만 차지하는데도 질량의 99.9퍼센트 이상을 차지합니다(100만 분의 1을 다시 10억 분의 1로 나눈 정도입니다).

그래서 핵물질은 매우 밀도가 높습니다. 대략 세제곱미터당 2 × 10¹⁷ kg입니다. 이 물질이 각설탕 하나의 부피(1 cm³)만큼 있다면 무게는 약 2억 톤에 이를 것입니다. 지구에서 이런 물질을 덩어리째 볼 일은 절대 없지만, 모든 원자 안에 있는 원자핵은 이 물질로 이루어져 있습니다. (중성자별은 이 물질이 거대한 규모로 모인 것입니다.)

우리는 어떻게 알 수 있을까요? 1909년, 어니스트 러더퍼드의 연구실에서 일하던 한스 가이거와 어니스트 마스던은 알파 입자(빠르게 움직이는 양전하를 띤 헬륨 원자핵)를 아주 얇은 금박에 쏘았습니다. 당시 널리 받아들여지던 J. J. 톰슨의 "플럼 푸딩" 모형에서는 양전하가 원자 전체에 퍼져 있다고 보았기 때문에, 모든 알파 입자는 아주 조금만 방향이 바뀐 채 그대로 통과해야 했습니다.

하지만 실제로 관찰한 것은 달랐습니다.

• 거의 모든 알파 입자가 곧장 통과했습니다.
• 아주 작은 일부는 큰 각도로 휘었고, 몇 개는 거의 곧장 되돌아왔습니다.

1911년, 러더퍼드는 이것이 무엇을 뜻하는지 밝혀냈습니다. 양전하와 질량의 거의 전부가 아주 작고 밀도가 높은 중심부에 모여 있고, 나머지 원자 공간은 비어 있어야 한다는 뜻이었습니다. 러더퍼드는 나중에 큰 반동으로 되돌아오는 현상이 큰 포탄을 휴지에 쏘았는데 포탄이 다시 자신에게 날아오는 것만큼이나 믿기 어렵다고 설명했습니다. 그는 이 중심부를 원자핵이라고 불렀습니다.