| 원자 구성 입자 | ||
| 원자핵 | 전자 | |
| 핵자 | ||
| 양성자 | 중성자 | |
| 업 쿼크 + 다운 쿼크 | ||
| ※: 추정 2022년 8월 17일자 네이처지 참고 | ||
1. 개요
原子 ｜ Atom[1]화학 원소의 특성을 잃지 않는 범위에서 도달할 수 있는 물질의 기본적인 최소 입자.[2] 중심에는 원자핵이 있고 그 주변은 전자들로 둘러싸여 있다. 원자번호로 구분 가능한 원자의 종류가 원소의 개수가 된다. 2024년 현재까지 공식적으로 확인된 원소의 개수는 118개이다.
2. 어원
레우키포스와 데모크리토스가 습관적으로 "원자론자Atomist라고 불리는 사실은 그들의 교설을 뒤덮은 오해의 두터운 그름이 대해 책임이 있다. 그리스어 아토모스atomōs(atom, 원자)는 "부분들로 갈라질 수 없는 것", "나누어질 수 없는 것"을 의미한다. 에프쿠로스의 "원자"는 이미 레우키포스의 그것과는 매우 달랐다. 가상디가 말한 "원자"도 에피쿠로스의 그것과 매우 달랐다. 그리고 물질의 내적 구조에 관한 이론의 부분인 근대 과학의 "원자"는 그것과 동음이의어인 선행자들 가운데 어느 것과도 유사하지 않으며, 최근의 물리학 이론에서 그것은 최소한 그것이 나누어질 수 없는 것이길 그쳤기 때문에 원자가 아니다. 그리하여 일련의 상이한 개념들을 지칭하기 위해 동일한 용어가 사용됨으로써 창조된 혼동은 아리스토텔레스 이후로 계속해서 철학자들이 부주의하게 비역사적인 표현을 사용함으로써 더욱 더 확대되었다.
로이 케네스 해크Roy Kenneth Hack, 『그리스 철학과 神: 소크라테스이전 찰학자들에게서 신 개념의 역사』God in Greek Philosophy to the Time of Socrates (1931), 이신철 번역, 도서출판 b, 2011, p.189
기원전 450년경에 데모크리토스가 그리스어로 부정을 뜻하는 á[3]와 자름을 뜻하는 tomos를 합성하여, átomos라는, '자를 수 없음'을 뜻하는 단어를 만들어냈다. 원자론은 데모크리토스의 제자들의 가보가 끊겨 중세에는 잊힌 이론이었으나 근대에 이르러 존 돌턴이 근대적 원자론을 정립하면서 옛 언어를 차용했다.[4]로이 케네스 해크Roy Kenneth Hack, 『그리스 철학과 神: 소크라테스이전 찰학자들에게서 신 개념의 역사』God in Greek Philosophy to the Time of Socrates (1931), 이신철 번역, 도서출판 b, 2011, p.189
한자로는 근본이 되는 물질이라 하여 근본 原을 사용, 原子라고 쓴다.
현대에 이르러서는 원자도 더 작은 입자들로 구성되어 있다는 걸 밝혀냈기 때문에, 전류의 방향이 실제로는 반대인 것처럼, 현재에 와서는 어원의 뜻과 실제 정의가 달라졌다.
3. 구조
널리 알려진 구조. 그림과는 달리 양자역학으로 인해 전자의 위치는 특정한 궤도로 한정지을 수 없다. 하지만 이러한 모형은 직관적이기에 여전히 쓰이고 있다.
양성자, 중성자, 전자로 이루어져 있다.
중심에는 원자핵을 이루는 핵자인 양성자, 중성자가 모여 있고, 전자는 핵 주변에 분포하며, 이 전자의 분포를 나타내는 전자 구름이 위치해있다. 빅뱅 이후 38만년이 지나서 어느정도 우주의 온도가 식자, 이때 전자와 원자핵이 결합하면서 처음 만들어졌다. 참고로, 전자는 쿼크와 함께 우주 폭발 직후 대통일 시대가 끝나며 만들어진 입자이고 원자핵은 양성자와 중성자가 결합하여 형성된 것이다.
이러한 구조를 쉽게 이해하기 위해서 축구장을 원자에 비유해서 자주 예로 드는데, 만약 원자가 축구장이라면, 원자핵은 축구장 중앙에 놓인 구슬과 같다. 원자가 지구 크기라면 원자핵은 남대문 정도 된다. 그리고 '전자'는 현재 기술로는 크기를 측정할 수가 없다. 원자는 텅 비어 있다고 생각해도 무방하다. 원자라는 축구장에 들어가 있다면 안에는 희미하게 보이는 구슬을 제외하고는 아무것도 없다고 생각할 수 있다.
원자와 원자핵의 크기의 정확한 비율은 원자마다 다르다. 반 데르 발스 원자 반지름은 m, 핵자의 수를 라 할 때 원자핵 반지름은 m이다. 양성자 하나로 이루어진 수소 원자라면, 원자와 원자핵의 크기 비율은 약 '100,000:1' 이다.
원자가 비어있는데 왜 원자로 이루어진 세상을 우린 보고 느끼고 만지고 심지어 원자끼리 충돌해서 파괴될 수 있는가? 원자간 거리가 가까워지면 오비탈들이 가지는 에너지가 발산하기 때문이다. 그에 따라서 원자들 사이의 거리는 0이 될 수 없고 원자들은 서로 반발한다. 분자 오비탈 참고.
질량은, 핵자는 약 kg이고 전자는 kg으로 핵자가 전자에 비해 대략 1800배나 무겁다. 사실상 원자의 질량은 원자핵이 다 차지하고 있는 셈.
기본적으로 원자는 전하를 가지지 않는다. 원자핵이 양전하를 가지고, 그만큼의 음전하를 가진 전자가 합쳐져 있기 때문. 전자가 적거나 많으면 양전하나 음전하를 띠기도 한다.
홀전자가 있을 경우 상자성을 띠고 홀전자가 없으면 반자성을 띤다. 원자의 자성을 만드는 요소로는 전자의 스핀과 전자의 궤도 운동 크게 2가지가 있다. 이들에 비하면 원자핵의 스핀은 원자의 자성에 상대적으로 적은 영향만을 준다. 슈테른-게를라흐 실험으로 원자가 가진 자성을 확인할 수 있다.
원소들의 성질이 주기성을 나타내는 이유는 원자 속의 전자 배치와 관련이 있다. 원자를 구성하는 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있고, 한 원자를 구성하는 양성자와 전자 수가 같으므로 원자는 전기적으로 중성이다. 이 양성자의 수에 따라 원자 번호가 결정된다. 닐스 보어는 전자껍질이라는 개념을 제안하였다. 원자핵 주위에서 전자가 에너지에 따라 서로 다른 껍질을 이루고 있다는 것이다. 원자모형에서 전자는 안쪽에 있는 전자껍질부터 차례로 배치되는데, 각 전자 껍질마다 최대로 배치될 수 있는 전자의 수는 정해져 있다.[5]
3.1. 원자핵
핵자인 양성자와 중성자가 이루며, 핵자들의 사이에 작용하는 핵력에 의해 양성자와 중성자가 결합되어 원자핵을 형성한다.주기율표의 원자 번호는 이 원자핵의 양성자 개수를 뜻한다. 즉 원자 번호 1인 수소는 양성자가 하나, 원자 번호 92인 우라늄은 92개의 양성자를 가지고 있다. 여기서 중성자를 빼놓으면 섭섭한데, 양성자의 수는 같으나 중성자의 수가 다르면 동위원소가 된다. 원자 번호 0인 원소가 없듯 중성자가 없는 원자는 존재하나 양성자가 없는 원자는 일반적으로 존재하지 않는다. 양성자가 없는 원자는 '별난 원자'라고 해서 특별하게 취급한다. 대표적으로 전자와 양전자만으로 이루어진 포지트로늄.
양성자의 수에 따라 어떤 원소인지가 결정나므로, 즉 원자가 가지고 있는 양성자의 수를 바꿔버리면 원소를 다른 원소로 인위적으로 바꾸는 연금술도 가능하다고 할 수 있겠다. 양성자를 비롯한 핵자의 수가 바뀌는 대표적인 현상이 핵융합, 핵분열이다.
자세한 사항은 원자핵 문서로.
3.2. 전자
보어의 원자모형에선 전자가 원자핵 주변을 도는 것으로 나타내었지만, 정확히 말하면 전자는 그냥 원자핵 주변에 존재해 있다. 그것도 위치가 정해진 것도 아니며, 전자는 어디에든 확률적으로 존재할 수 있다. 극단적으로 말하면 지구에 있는 수소 원자의 전자가 글리제 581이나 프록시마 센타우리, 에리다누스자리 엡실론, 고래자리 타우, 바너드 별, TRAPPIST-1, 심하면 스티븐슨 2-18이나 TON 618, PSR B1257+12에 있는 것도 충분히 가능하다! 다만 1s 오비탈의 경우 핵에서 가까울수록 그 위치에 대해서 전자가 존재할 확률이 올라가고 반대로 핵에서 멀어질수록 존재할 확률이 낮아진다. 그리고 이 전자의 분포는 특정한 형태로 나타나게 되는데 이 형태를 전자 구름이라고 부른다.엄밀히 말하자면 전자의 위치와 운동을 어떻게 설명할 것인가의 문제는 양자역학의 해석과 관련되어 있다. 다세계 해석은 관측 전의 전자가 문자 그대로 존재해 있다고 본다. 여기에 대한 반론으로 존재는 더 이상 쪼갤 수 없는 개념이기 때문에 확률적으로 존재한다는 것은 존재라는 용어를 잘못 사용한 것이라는 주장이 있다. 코펜하겐 해석에선 관측 전의 파동함수는 발견될 확률을 나타낼 뿐이지 그곳에 무엇인가가 존재한다고 말할 수 없다고 본다. 앙상블 해석에서도 관측 전에 전자가 존재하는지 알 수 없으며 우리가 알 수 있는 것은 여러 번의 관측을 통해 나타나는 통계적인 앙상블뿐이라고 주장한다.
전자가 원자핵 주변을 도는 보어의 원자모형은 실제와는 차이가 있다. 고전 전자기학적으로 전자가 원 운동을 하면 싱크로트론복사로 빛을 내며 에너지를 잃어버린다. 즉 원자는 구조적인 결함으로 인해 순식간에 와해되고 만다.
당연하지만 이런 일은 일어나지 않는다. 참고로 이 모형에서 전자가 원자핵에 포획되지 않기 위해서는 최소 초속 1000km대 이상으로 움직여야 한다.
위 표는 전자 구름 모델, 오비탈 모델을 나타낸다. 색이 입혀진 부분은 매우 높은 확률로 전자를 찾을 수 있는 지역을 의미한다. 그림의 색은 파동함수에서의 위상을 나타낸다. 색이 없는 부분에서도 발견할 수는 있으나, 그 확률은 매우 낮다. 대체로 확률이 90%인 곳을 표면 경계로 하여 모델을 만들므로, 색칠해진 부분을 제외한 나머지 우주 전체를 다 합친 공간에 존재할 확률이 10%가 된다. 여기서 주의할 점은 오비탈은 화학 결합이나 기타 원인에 따라 나타나는 원자의 방향성이 드러나도록 표현한 전자의 고유 상태라는 점이다. 화학결합을 무시하면 전자는 오비탈 고유 상태의 중첩으로 존재하여 구대칭적인 파동함수를 이룬다고 봐도 무방하다.
4. 원자의 크기
원자의 크기는 기준을 어떻게 두느냐에 따라 크게 달라진다. 대표적인 기준들로는 반데르발스 반지름, 공유 반지름, 보어 반지름 등이 있다.원자 반지름 문서에 자세히 설명되어 있다.
5. 원자 모형
6. 원자의 표기
원소기호의 왼쪽 아래에 원자 번호를 표기하며, 왼쪽 위엔 질량수를 표기한다. 이온인 경우 오른쪽 위에 상대적 전하를 표기한다. 원자 번호의 경우 원소기호만으로도 알 수 있으므로 생략하는 경우가 많다.[math( {}_{\text{번호}}^{질량수}{\square}^{이온전하} )]
7. 원자의 실제 모습 관찰
원자의 실제 모습은 1980년대에 개발된 제3세대 현미경인 원자 현미경에서부터 MRI가 발달함에 따라, 보다 다양하게 관측 및 촬영까지 할 수 있게 되었다.- 2020년 2월, 인류 역사상 최초로 원자가 결합되고 분리되는 장면을 촬영한 영상이 있다. 구체적으로는 탄소나노튜브 안에 레늄 원자를 넣어서, 레늄 원자의 금속 결합 및 분리를 관측한 것이다. 레늄의 경우 원자 번호가 큰 편이라서 관찰이 수월했기 때문. 이 발견은 이론으로만 알 수 있었고, 고등학교 교과에도 나올 만큼 보편성이 높아진 지식이라 할 수 있는 ‘원자 간의 결합’을 실제로 사람 눈으로 확인한 세계 최초의 사례이므로, 그 의의가 높다.
8. 관련 문서
[1] 한국에서는 흔히 '아톰'이라고 읽는다. 본토인 영국도 동일한 발음인데, 유독 미국발 발음만 아덤(ætəm)또는 아담에 가깝다.[2] 화학 원소의 특성을 잃는 범위에서의 최소 입자는 기본 입자이다.[3] 영어에서도 a는 부정이나 반대의 의미로 사용되기도 한다.[4] 다만 거의 동음이의어에 가깝기 때문이 고대의 원자론이 근대에 소생한 것은 아니다. 가령 고대의 원자론자들에게 '원자'는 우주발생론적 주권을 진 '살아있는 신적 실재'였다.[5] 여기서 전자 껍질 수가 같으면 주기율표에서 주기가 같은 원소들의 집합이며, 전자 껍질 중 가장 바깥에 들어있는 전자는 원자가 전자이다. 원자가 전자는 화학적 성질을 결정한다. 따라서 원자가 전자수가 같으면 족이 같은 원소들의 집합이 되므로 이들은 서로 화학적 성질이 비슷하다.