러더퍼드의 선 산란실험을 통하여 원자핵은 대부분의 원자질량을 가지고 있으며 크기는 이며, 양전하를 띈 입자라는 것을 알게 되었다.

1919년 애스턴은 톰슨의 비전하 측정장치를 개량하여 원자의 질량을 측정하는 질량 분석기를 만들었다.
아래의 그림은 질량분석기의 구조를 나타낸 것이다.

 

전자의 질량은 원자핵의 질량에 비하여 아주 작으므로 원자의 질량에서 전자의 질량은 무시될 수 있고 원자의 질량은 근사적으로 같다고 할 수 있다.
원자핵의 질량을 측정하기 위해서는 먼저 전자와 원자핵을 분리시켜 핵을 이온화 시키는 것이다.
그렇게 만들어진 이온을 전기장을 이용하여 가속시킨 후, 이온의 운동 방향과 수직으로 전기장과 자기장을 동시에 걸어 일정한 속도를 가진 이온만을 걸러 낸다.
이렇게 선별된 이온을 균일한 자기장에 입사시키면, 이온은 힘을 받아 등속 원운동을 하게 된다.

이 때, 원자핵의 질량을 m, 전하량을 q, 자기장을 B, 원운동의 반경을 R, 속도를 v 라고 하면 자기력이 곧 구심력의 역활을 하므로 다음과 같은 관계가 성립하며, 이 식으로 원자핵의 질량을 구할 수 있다.


원자의 질량은 자연계에 가장 많은 탄소 원자의 질량을 12로 정한 후, 다른 원자의 질량을 탄소 원자의 질량과 상대적 질량비로 표시하였다.
실재로 원자량은 각 원소 1몰의 질량으로 탄소 원자 1몰의 질량은 12g이다.
탄소 원자 한 개의 질량은 탄소의 원자량에 해당하는 12g을 아보가드로의 수로 나누면 된다.

원자의 단위 질량은 위에서 구한 탄소 원자 1개의 질량을 다시 12로 나눈 것으로 정의되며 기호로는 또는 으로 나타낸다.
즉, 으로 나타낼 수 있다.
수소 원자의 경우 원자 번호가 1이므로 1개의 전자와 1개의 원자핵으로 구성되어 있다.
이러한 수소의 원자핵을 양성자라고 부르며 그 질량은 이다.

질량 분석기를 사용하여 여러 원소의 질량을 분석하면, 원자 번호가 같은 원소이나 질량이 다른 원자가 있는 것을 볼 수 있다.
동위원소란 이와 같이 원자 번호는 같으나 질량이 다른 원자들을 말하는 것이다.
동위원소의 질량을 측정하면 양성자의 질량의 정수배와 비슷한 것을 알 수 있으며, 이러한 정수를 동위원소 질량수라고 부른다.

일반적으로 원소들은 자연 상태에서 질량수가 다른 동위원소들이 일정한 비율로 혼합되어 있으며, 이를 동위원소의 존재비라고 한다.
동위원소의 존재비는 원소마다 다르다.
자연에 존재하는 원소는 동위원소가 혼합되어 있는 형태이므로 이러한 동위원소를 구분하기 위하여 원자 번호가 Z, 질량수가 N, 원자 기호가 X인 원자핵을 또는 로 표시한다.
예를 들어 산소의 동위원소는 등이 있다.

   2)원자핵의 구성

러더퍼드는 입자의 산란실험을 통하여 원자핵의 존재를 알렸을 뿐만 아니라,그 크기가 임을 알아냈다.

이를 정밀하게 측정하기 위하여 속력이 거의 광속에 가까운 전자를 사용하여 전자가 산란되는 분포를 분석하면 원자핵은 거의 공의 모양에 가깝고, 원자핵의 부피는 질량수에 비례한다는 것을 알게 되었다.
따라서 원자핵을 반지름 r과 질량수 A로 나타내면 이 되며, 실험으로 측정한 이다.

처음에는 핵은 양성자로만 구성되어 있어 원자의 질량수는 그 원자가 가지는 양성자의 수와 같을 것으로 생각을 하였다.
그러나, 양성자가 2개 있을 것이라고 생각한 헬륨 원자의 질량은 수소 원자 질량의 4배 정도가 된다.

또, 양성자가 3개 있을 것으로 예상되는 리튬의 경우 수소 원자의 질량에 약 7배가 된다.
이와 같은 사실은 원자핵 속에 전기적으로 중성이고 질량이 양성자의 질량과 거의 같은 입자인 중성자가 있어야 한다는 것을 의미하는 것이다.

1932년 영국의 채드윅의 실험을 통하여 중성자를 발견하게 되었고, 중성자는 전기적으로는 중성이며 질량은 양성자와 거의 같은 인 입자다.
그러므로, 원자핵은 양성자와 중성자의 두가지 입자로 구성되어 있으며, 핵을 구성하는 이러한 입자를 핵자라고 한다.
질량수가 A인 원자핵 속에는 중성자 N개, 양성자 Z개가 들어 있다.
즉, A=N+Z 인 관계가 성립한다.

양성자와 중성자는 의 작은 원자핵 속에 들어있어야 하며, 원자핵 속에 들어있는 양성자와 양성자는 전기적으로 같은 극을 띠고 있고, 거리가 대단히 가깝기 때문에 서로간에 작용하는 전기적 척력 또한 대단히 크다.
그러나, 이들이 좁은 공간에 모여있는 이유는 그 쳑력보다도 큰 힘이 작용하기 때문이며, 원자핵을 구성하는 입자사이에 작용하는 강한 인력을 핵력이라고 한다.
이러한 핵력은 핵자의 종류에 관계없이 같은 크기의 힘이 작용하며, 그 크기는 전기력의 100배 정도이다.

드브로이는 빛이 파동과 입자의 성질을 모두 가지고 있다면, 전자와 같은 물질도 파동적 성질을 가지고 있을 것이라고 생각하였다.
드브로이는 물질 입자의 파장은 광양자와 같은 식으로 운동량은 의 관계가 있다고 생각하였다.
즉, 질량 m인 입자가 v의 속도로 운동한다면 그 물질이 갖는 파장 는 다음과 같을 것이라고 제안하였다.

이와 같은 파동을 물질파 또는 드브로이파 라고 부른다.

만일 입자에도 파동성이 있다면 위 식의 파장에 대응하는 회절 및 간섭현상이 관측되어야 한다.
1927년에 데이비슨과 거머는 아래 그림과 같은 금속 결정의 표면에 전자를 산란시키는 실험을 실시하여, 전자들이 특정 방향으로 많이 산란된다는 것을 알아내었다.

 

이것은 회절 무늬로 해석해서 회절된 전자의 물질파의 파장이 으로 나타났으며,이것은 드브로이가 예언한 것과 일치하는 것이었다.

같은 해 톰슨은 다른 실험을 통하여 전자의 회절 현상을 발견하였다.
이 후에 양성자와 중성자, 헬륨 원자와 수소 분자 등 모든 물질 입자들에 대하여도 파동성이 있다는 사실이 확인 되었다.
이와 같이 물질의 입자들은 입자성 뿐만 아니라 파동성도 가지므로 이를 물질의 이중성 이라고 부른다.

일반적인 입자들의 파동성은 잘 관측되지 않는다.
그 한 예로 질량이 0.2 Kg인 야구공이 40m/s의 속력으로 날아가고 있을 때 야구공의 드브로이 파장은 다음과 같다.


따라서 파장이 너무 작기 때문에 회절 및 간섭현상 등의 파동성을 관측할 수 없다.

그러나, 로 운동하는 질량이 인 전자의 드브로이 파장은 다음과 같다.

이와 같은 전자선은 일정한 간격으로 배열된 원자들에 의하여 산란될 때 회절 무늬를 만들기에 충분하다.

입자의 파동성을 이용한 장치로는 중성자 산란 실험장치, 전자회절 표면 분석장치, 전자 현미경 등 매우 많다.
보통의 현미경의 경우 분해능(최소한 볼 수 있는 크기)이 정도 이지만,전자 현미경의 경우에는 이보다 1000배정도가 뛰어나다.
아래 그림은 전자 현미경을 설명하는 것이다.

 

전자 현미경은 빛과 렌즈대신 전자선을 특별히 고안된 자석에 의하여 굴절시키도록 되어 있다.
최종적으로 전자선이 형광 스크린 위에 투사되어 영상을 볼 수 있게 되어 있다.
이들 장치는 전자나 중성자의 파장이 빛보다 훨씬 짧은 것을 이용하여 빛으로 볼 수 없는 바이러스 병원체 등이나 물질속의 원자 배치 상태 등을 알아내는 데 아주 유용하다.

정 리

1. 물질파 ( )

2. 물질의 이중성--물질의 입자들은 입자성 뿐만 아니라 파동성도 가진다.