[과학] 원자란 무엇인가?

오늘날 세상과 그 안의 모든 것이 별의 중심에서 만들어진 작고 튼튼한 물질 조각인 원자로 구성되어 있다는 것은 상식이다. 원자는 실제로 매우 작다. 백만 개를 나란히 쌓아도 이 책에 나오는 글자 'a'를 겨우 가로지르는 길이에 불과하다. 각 원자는 양성자와 중성자를 포함하는 핵으로 구성되어 있으며, 그 주위로 전자구름이 소용돌이친다. 안정성을 얻기 위해 원자 사이에 전자를 교환하고 공유하는 것은 모든 화학의 기본이지만, 원자핵을 쪼개거나(핵분열) 강제로 합치는(핵융합) 방식으로 원자의 모양을 바꾸는 것은 원자 물리학의 영역이다.

 

게다가 양성자와 중성자는 쿼크라는 더 작은 입자로 이루어져 있으며, 글루온이라는 '메신저' 입자의 교환에 의해 서로 결합해 있다는 사실도 밝혀졌다. 앞으로 어떤 수준의 구조가 더 발견되기를 기다리고 있을지 누가 알 수 있을까?

 

원자 및 아원자 세계의 비밀은 수 세기 동안 우리 도구와 사고의 한계, 그리고 더 작은 입자를 연속적으로 분리하는 데 필요한 막대한 에너지로 우리에게 감춰진 채로 남아있었다. 그렇다면 우리는 지금 우리가 알고 있는 것을 어떻게 알게 되었으며, 그 과정에서 세상은 어떻게 변화했을까?

 

원자 내부는 어떻게 구성되었을까? 세상은 다양한 크기의 원자로 이루어져 있다. 원자는 1미터의 1조분의 1에 해당하는 단위인 피코미터로 측정한다. 원자 그룹은 서로 결합하여 물(H2O)과 같은 분자를 형성할 수 있는데, 물은 산소 원자 하나가 수소 원자 2개에 결합하여 구성한다. 원자는 흔히 흐릿한 테니스공과 비슷하다고 생각하지만, 원자는 외부 표면이 없다. 대신 원자는 음전하를 띤 전자구름으로 둘러싸인 작고 조밀하며 양전하를 띤 핵으로 구성되어 있다. 그러나 테니스공의 내부처럼 원자는 대부분 공간으로 이루어져 있으며, 이는 우리를 포함한 우주의 모든 것이 대부분 '무'로 이루어져 있다는 것을 의미한다. 원자 질량의 99.9%를 차지하지만, 양성자와 중성자로 구성된 원자핵은 전체 원자의 극히 일부분에 불과하며, 그 크기는 대성당에 있는 모래알 크기에 불과하다. 원자의 양성자 수에 따라 원자 번호가 결정되므로 예를 들어 수소 원자는 양성자 1개를 포함하고 있으므로 원자 번호는 1이다. 반면 전자는 원소의 화학적 특성을 결정한다. 헬륨 원자는 '껍질'에 두 개의 전자를 가지고 있는데, 이는 껍질이 가득 차 있어 매우 안정적이고 반응성이 없다는 것을 의미한다.

 

헬륨 원자

 

※ 양성자(proton): 중성자와 함께 원자핵의 구성 요소가 되는 소립자의 하나. 질량은 전자의 약 1,800배이고 양전하를 가지며 전기량은 전자와 같다. 원자핵 내의 양성자의 수는 그 원자의 원자 번호를 나타낸다.

※ 중성자(neutron): 수소를 제외한 모든 원자핵을 이루는 구성 입자. 전하를 갖고 있지 않으며 전자 질량의 약 1,840배이다. 전기적으로 중성이며, 평균 수명은 898초로 베타(β) 붕괴 한다. 붕괴하면 양성자 한 개, 전자 한 개, 반중성 미자 한 개로 분리된다. 중입자에 속하며, 양성자와 함께 원자핵을 구성하여 핵자라고 불린다.

※ 전자구름: 원자, 분자 안에 있는 전자의 공간적 분포 상태를 구름에 비유하여 이르는 말. 전자의 파동 함수의 제곱에 비례하는 밀도 분포가 된다.

※ 쿼크(quark): 양성자, 중성자와 같은 소립자를 구성하고 있다고 생각되는 기본적인 입자. 3분의 1이나 3분의 2의 전하를 갖는다.

※ 글루온(gluon): 쿼크 사이에 강한 작용력을 매개하는 입자.