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톰슨은 원자가 양으로 대전된 물질로 이루어진 구에 전자들이 떠다니고 있다고 설명했다. 이 모형을 영국인들이 가장 좋아하는 크리스마스 음식의 이름을 따서 ‘플럼 푸딩’ 모형(건포도가 박혀 있는 푸딩 모양의 빵을 상상하면 될 것이다)이라고 불렀다.

뉴질랜드 출신의 물리학자 러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871~1937)는 톰슨의 모형을 시험하는 모델을 개발했다. 러더퍼드의 첫 번째 작업은 1898년 캐나다 몬트리올에서 실행되었다. 러더퍼드와 소디(Frederick Soddy, 1877~1956)는 방사능과 방사능 물질에 대해 연구하기 시작했고, 이 연구로 인해 러더퍼드는 1908년 노벨 화학상을 받았다. 이 실험에 대한 자세한 설명은 이 책의 핵물리 부분에서 다뤄질 것이다. 러더퍼드는 토륨과 우라늄에서 방출되는 방사선을 연구하여 이를 알파선과 베타선이라 불렀으며 이중 알파선은 물질을 연구하는 데 이상적인 검사 도구가 될 수 있다는 사실을 알아차렸다.

1907년 영국의 맨체스터 대학으로 옮긴 러더퍼드는 개개의 알파선을 탐지하는 방법에 대해 가이거(Hans Geiger, 1882~1945, 후에 가이거 계수기를 발명함)와 함께 연구했다. 이들은 알파 입자는 두 개의 전하를 가지고 있다고 결론지었다. 가이거와 러더퍼드는 알파선이 매우 얇은 운모(매우 얇은 조각으로 잘릴 수 있는 광물)로 만들어진 창문을 통과하도록 한 뒤 운모를 관통한 알파선이 플럼 푸딩 모델에서 설명한 원자에 의해 휘어지는 것보다 약간 더 많이 구부러진다는 사실을 발견했다. 가이거와 마르스덴(Ernest Marsden, 1889~1970)과 함께 러더퍼드는 금으로 만든 아주 얇은 박막에 알파선을 쏘아보았다. 그러자 놀랍게도 상당한 수의 알파 입자가 90도 이상의 큰 각도로 다시 튀어나오는 것이었다. 러더퍼드는 이 실험 결과가 마치 해군에서 사용하는 대포에서 발사된 15인치 포탄이 매우 얇은 종이에 의해 튕겨나온 것과 같았다고 설명했다.

이 실험 결과를 바탕으로 1911년에 러더퍼드는 새로운 원자 모형을 만들었다. 러더퍼드가 만든 원자 모형은 양전하로 대전된 매우 작은 입자(나중에 원자핵이라고 불리는)를 전자들이 돌고 있는 모형이었다. 이때는 전자들의 경로에 대해 언급하지 않았지만 러더퍼드의 발견으로 전자들이 태양 주위를 도는 행성들처럼 원자핵 주위를 돌고 있다고 생각하게 되었다. 원자핵은 원자 크기의 1만분의 1밖에 안 되지만 원자가 가지고 있는 모든 양전하와 질량을 가지고 있다. 만일 원자의 질량이 N개의 수소 질량과 같다면, 원자핵이 가지고 있는 전하는 대략 수소가 가지고 있는 전하의 N/2배가 될 것이다. 원자핵 주위를 도는 전자가 원자핵과 부호는 반대이지만 같은 양의 총 전하를 가지고 있기 때문에 전자는 전기적으로 중성인 상태가 된다. 러더퍼드의 원자는 대부분이 텅 빈 공간으로 이루어져 있다.

러더퍼드 원자 모델은 원자력 발전소나 국제 원자력 에너지 기구의 깃발과 같은 여러 곳에 상징으로 사용되고 있다.

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