원자란?

[유토피아]

먼저 원자의 정의를 내리자면  물질의 기본적 구성 단위.

 하나의 핵과 이를 둘러싼 여러 개의 전자로 구성되어 있고,

 크기는 반지름이 10－7~10－8cm이며 한 개 또는 여러 개가 모여 분자를 이룬다.

좀 어려운 감이 있습니다.

쉽게 말해서 우리가 흔히 듣는 수소니 산소니 탄소니 질소니 하는 것들이 원자라 말할 수 있습니다. 엄밀히 말하면 수소원자, 산소원자 이런식으로 말해야 합니다.

통상적으로 우리가 말하는 산소는 O2라 하는데 이것은 산소 분자를 의미하는 것입니다.

따라서 물질의 기본 특성은 나타내는 것을 원소라 부릅니다.

물은 원자라 할수 없고 분자라 할수 있겠지요.

왜냐하면 수소원자 두개와 산소원자 1개가 모여서 물이 되는 겁니다.

우리가 접하고 보고 냄새맡고 하는 것들을 포함하여 우주의 공간 별들의 구성요소들도 모두 원자의 결합으로 이루어져 있습니다.

위에서 말한 꽃향기도 알고보면 원자의 결합에 의한 물질이 공기중에 떠다니다가 우연히 우리 코속으로 들어온 물질입니다.

우리 몸도 원자의 결합이라 할수 있지요. 우리몸엔 수분이 약 70% 정도 있다고 하죠?

이는 산소와 수소로 나눌수 있겠지요?  또한 뼈는 칼슘으로 이루어저 있습니다.

이처럼 우리 몸도 기본적으로 원자의 결합에 의해 이루어진 것이라 할 수 있습니다.

우주의 공간에 있는 물질도 우주의 별도 모두 원자의 기본 단위로 이루어져 있고 매일 보는 태양도 수소와 헬륨으로 이루어져 있습니다.

원자는 핵과 전자로 이루어저 있고 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있습니다.

양성자의 수에 따라 원자의 고유한 특성을 나타냅니다.

수소는 하나의 핵과 하나의 전자로 이루어져 있습니다.

산소원자핵은 8개의 양성자와 8개의 전자로 이루어져 있습니다. 일반적으로 양성자의 수와 전자의 수는 같습니다. 우리가 화학시간에 배운 주기율표는 이런 규칙에 따라 배열된 것입니다.

제가 원자를 이야기 하고자 함은 이 원자가 뭔지를 알아야 우주에 대한 이해가 쉬워지기 때문입니다. 원자의 크기는 10의 10승분의 1미터 입니다. 아주 작은 물질입니다. 

예를들자면 이렇습니다. 물한잔에 들어있는 원자의 수는 지구상의 모든 물을 잔에 담았을때의 잔수보다 많습니다. 얼마나 많은지는 모릅니다.

원자핵은 원자의 10만분의 1정도의 크기를 가지고 있습니다.

하지만 이 작은 원자핵속에 원자 질량의 거의 대부분을 차지하고 있습니다.

원자의 크기는 실로 작다고 하였습니다. 원자의 대부분은 빈 공간입니다. 그러나 현재까지 결과로는 빈공간에 물질과 반물질 같은 것들이 존재 한다고 합니다.

만약에 사람 몸에 있는 모든 원자의 빈 공간을 없앤다면 소금 알갱이보다 더 작을 겁니다. 물론 무게는 그대로일 것입니다. 이를 지구상의 모든 인간에게 적용한다면 약 60억의 인구 모두가 사과 한 개 정도의 크기에 들어갈 것입니다. 위의 모든것들은 단지 원자의 기본적인 구성에 대한 이야기 입니다.

그러나 원자의 세계는 너무나도 심오합니다. 1900년대 초 원자에 대한 그림을 그리려고 너무나도 많은 과학자들이 힘을 쏟고 또 논쟁을 하였습니다. 고전 역학을 따르는 구시대의 과학자-아인슈타인 같은-와 양자역학을 연구하는 새로운 과학자들 사이에서 약 20여년동안 논쟁하면서 과학 특히 원자에 관한 지식은 놀랍도록 발전하였습니다.

그결과로 나온것이 하이젠베르그의 불확정성의 원리입니다. 하늘을 올려다 보면서 사람들은 자신이 어디서 왔는지 별은 어떻게 생겨났고 물질은 어떻게 만들어졌는지, 우주는 어떻게 시작되었는지를 묻습니다.

이런 해답을 물질의 가장 작은 단위를 연구하면서 얻었는데 바로 그것이 원자입니다.

그 내부를 들여다 보면서 우리는 외부도 설명할수 있습니다.

원자는 우주의 커다란 신비를 풀수 있는 도구입니다.

 우주의 신비를 풀수 있는 열쇠가 바로 원자입니다.

놀랍게도 우리는 우주에 원자가 몇 개 있는지를 알수 있습니다.

원자의 수는 1에 0이 70개가 붙은 1조조조조조조개의 원자가 있습니다. 따지지 마세요 많다는 얘깁니다. 또한 우리는 원자의 수 뿐만 아니라 우주에 92가지 종류의 원자가 있다는 것도 알고 있습니다. 우리가 원소라고 부르는 것들인데 산소, 철, 탄소, 규소, 금등등 우주의 모든것 별, 행성, 산, 바다, 동물, 사람 모두 원자의 조합으로 이루어져 있습니다.

이런데 어찌 원자를 모르고 우주의 신비를 벗길수 있을까요? 바로 원자의 중심에 창조의 신비가 자리잡고 있으니까요.

앞에서 수소원자는 하나의 핵(양성자)과 하나의 전자로 이루어져 있다고 했습니다. 헬륨은 두개의 핵(양성자)과 두개의 전자로 이루어져 있습니다. 그러면 헬륨의 무게는 수소 무게의 두배이어야 합니다. 그러나 실제는 헬륨의 무게는 수소의 4배입니다. 이것을 원자량이라고 하나요? 그것은 핵에 양성자 외에 중성자가 존재하기 때문입니다. 즉 양성자 2개와 중성자 2개를 가지고 있기 때문에 무게가 4배인 것이죠. 양성자와 중성자의 무게는 정확하게 같지는 않지만 거의 비슷합니다. 물론 원자의 내부에 전자도 있지만 그 전자의 무게는 양성자와 중성자에 비해서 거의 무시할 만한 무게입니다.

원자의 구조를 거듭 언급하는 것은 더 깊이 들어가 봐야 우주의 신비를 풀수 있는 열쇠가 어떻게 생겼는지 알수 있기 때문입니다. 원자핵의 중요한 요소인 양성자는 양전하를 가지고 있고 같은 전하를 가지면 서로 밀어냅니다. 그런데 2개 이상의 양성자는 서로 강하게 결합을 하고 있습니다. 양전하이기 때문에 서로 밀어내야만 하는데요. 그것은 바로 핵력이라는 힘이 작용하기 때문에 양성자는 서로 강하게 결합하고 있죠.  핵력은 우주에서 가장 강력한 힘으로 중력보다 아주 훨씬 강합니다. 상상을 초월할 정도로 강합니다. 만약에 지구에서 핵력이 사람을 잡아당기면 사람의 몸무게는 우리 은하의 무게보다 훨씬 더 무겁습니다. 그러나 그렇게 되지 않는 이유는 핵력이 아주아주 가까운 거리에서만 작용하기 때문입니다. 10의 15승분의 1미터 이내의 거리에서만 핵력이 작용합니다.

자 그러면 태양에 눈을 맞춰 봅시다. 태양은 왜 빛이 나는 걸까요?

태양의 빛은 어떻게 만들어 졌을까요?

그것은 태양의 대부분을 차지하는 수소 원자속의 힘과 관련이 있습니다. 수소 원자의 핵은 양성자 하나로 이루어져 있습니다. 고온 고압의 태양 내부에서 양성자는 다른 양성자와 만날 정도로 눌려서 가까원져서 강한 핵력이 작용해서 그 둘을 묶어 놉니다. 그리고 헬륨원자로 변하죠. 동시에 열과 빛 형태로 에너지를 방출합니다. 이것을 우리는 핵 융합이라 부릅니다. 참 쉽죠?

그러면 반대로 핵분열도 있을수 있지 않을까요? 빙고!! 맞습니다. 우리가 말하는 원자폭탄이 바로 핵분열에 의해서 탄생한 흉기입니다. 주기율표에서 가장 무거운 우라늄이 있죠? 여기에 핵의 한 구성입자인 전기 적으로 중성인 중성자를 쏘면 우라늄의 핵이 반으로 쪼개지면서 엄청난 에너지를 방출합니다. 이런원리를 이용한것이 핵폭탄입니다.

여기서 우리는 우리가 흔히 접하는 물질중의 하나인 철에 대해서 이야기 할까 합니다. 이또한 우주가 어떻게 만들어 졌는지에 대한 아주 중요한 물질입니다. 원자 내부에서는 핵력과 전자기력의 두가지 힘이 있습니다. 원소들은 이 두가지 힘이 안정되려고 하는 경향이 있습니다. 철의 26개의 양성자는 중성자와 특별한 형태로 결합하여 철을 아주 안정되게 만듭니다.  철보다 가벼운 원자들이 철과 비슷해 지기위해 결합하려고 합니다. 철보다 무거운 원자들은 반대로 쪼개져서 철과 비슷하게 되려고 합니다. 그래서 우라늄과 같은 무거운 원소들은 철과 같은 형태로 되려고 자연적으로 붕괴됩니다. 자연의 섭리라고 할까요? 암튼 철과 같이 되려고 하는 경향이 있습니다. 그래서 철든다고 말하나요? 써~~~~~~~얼렁!

이것이 우주의 역사를 결정합니다.

 핵안정도 그래프

우주에 존재하는 원자들릐 양

윗쪽 그림은 핵의 안정도를 그래프로 표시한 것입니다. 철(Fe)이 맨위에 있어 가장 안정적인 원소를 나타냅니다.

아래쪽의 그림은 우주에 존재하는 원자들의 양을 측정한 그래프 입니다.

아래쪽 그림은 핵 안정도 그래프와 신기하게도 일치합니다. 미세한 핵에서 나온 그래프와 광활한 우주에서 나온 그리프가 동일한 마법같은 원자를 가리키고 있습니다. 바로 우주의 비밀을 풀어줄 열쇠가 되는 원자입니다. 우주의 모든것은 변합니다. 원자는 양성자를 더하거나 덜어서 안정화 되려고 합니다.

그러면 어디서 이런 변화를 만드는 걸까요?  태양은 수로를 핵융합해서 헬륨을 만듭니다. 우주의 다른 원소들도 핵융합으로 만들어 질까요? 대답은 "예"입니다. 태양은 수소를 핵융합하여 헬륨이나 탄소 수소 질소등을 만들어 낼수 있지만 구리나 아연 철같은 무거원 원자를 만들어 내지는 못합니다.태양의 온도가 낮기 때문입니다. 철같은 원자를 만들어내기 위해서는 더 태양보다 훨씬 더 뜨거운 곳이 필요합니다. 적색거성입니다. 이것은 우주 전체에 수억개가 있습니다. 그러나 이 적색거성도 금이나 우라늄같은 더 무거운 원자를 만들어 낼 수는 없습니다.

그래도 온도와 압력이 낮습니다. 그래서 또 찾아낸 것이 초신성(Supernova)입니다. 초신성은 거대한 별이 폭발하면서 무지막지한 에너지른 내는 과정입니다. 자 이제 우주의 모든 원소가 만들어 질수 있습니다.

그런데 현재 우리는 결과적으로 나타난 수소와 헬륨이 핵융합해서 우주의 모든 물질이 만들어 졌다고 말하지만 그러면 수소와 헬륨은 첨에 어디서 왔을까? 하는 의문이 생깁니다. 그러면 수소는 어디서부터 언제부터 생겼을까요? 이는 우주가 생겨난 순간이 있는가 아니면 항상 존재했는가에 대한 문제입니다. 수십년 동안 천문학자들은 은하계가 서로 엄청난 속도로 멀이지고 있음을 알아냇습니다. 이것은 과거에는 우주가 작았을 것이라는 의미입니다. 우리가 생각하는 그런 "작은"것이 아닙니다. 바로 점을 의미합니다.

이 특이점이 대 폭발(Big bang)을 일으켜 우주가 탄생하면서 모든 물질들, 시간과 공간이 생겨난 순간입니다. 현재의 상상할 수 없을 정도로 큰 우주가 아주 작은 점으로 압축되면 엄청나게 뜨겁고 엄청난 압력이 있는 환경이 될수 있습니다. 빅뱅 후 몇분동안 우주는 수소핵을 많은 헬륨으로 만들 정도로 뜨거웠을 겁니다. 그때 모든 수소와 헬륨이 만들어졌고 그것이 현재 우주의 모든 원자의 역 98%를 차지하고 있습니다. 빅뱅이 없다면 그 많은 수소와 헬륨이 존재할 수 없다고 합니다. 이에 대한 결정적 증거의 한가지가 우주 배경 복사 입니다. 쉽게 말해 빅뱅의 잔광입니다. 우리가 라디오나 TV의 채널을 돌릴때 "찌지지직~~~~"하고 나는 소리가 바로 그것이라 합니다.

이제 우리는 우주의 모든 원소의 원자가 어떻게 만들어 졌고 만들어 지는지 알수 있겠죠?

원자의 구성요소인 핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있고 이는 떠 작은 입자로 이루어 졌다고 합니다.

쿼크니 무슨 반물질이니 하는 것들이 그것입니다. 끈이론이니 다중우주니 하는 이론들은 바로 그것으로 부터 나왔습니다. 전 개인적으로 이해하기가 곤란합니다. 원자의 작은 세계에서는 우리가 보고 느끼고 하는 일반적인 법칙이 존재 하지 않는 또 다른 세계이기때문에 추상적인 개념이 도입되어야 하나 그것 조차도 전 이해가 안됩니다. 다만 원자를 연구하면서 우주가 어떻게 시작되었고 어디로 가고 있는지도 말해 줄수 있습니다. 과학자들이 원자에 대하여 많은 것을 밝혀 냈지만 아직도 미지의 세계가 많다고 합니다.

우리 몸도 별도 우주도 빛도 나무도 똑같은 원자로 이루어져 있지만 어떻게 우리 인간은 의식을 가진 존재가 되어 원자가 무엇인가라는 의문을 품습니다.

이 대답은 아직 없습니다. 자꾸만 궁금해 집니다.