[물리하마] 세상은 다 무엇으로 이루어져 있나?: 물질의 구성, 원자, 전자, 원자핵

파인만의 여섯가지 물리 이야기, 리처드 파인만, 승산

 

: 물리 공부를 해보기로 했는데, 뭐부터 해야할지 모르겠어. 물리는 온 세상이 어떻게 돌아가는건지 대답해주는거 아니야? 범위가 넓으니까 질문할 것도 너무너무 많아. 우주는 어떻게 시작된거지? 하늘은 왜 파랗고? 세상은 다 뭘로 만들어진거야? 시간은 뭘까? 이건 이렇게 움직이는데 저건 왜 저렇게 움직이지?

 

 

자, 사실 이 중 어떤 질문에서 출발해도 좋아요. 서로 얽혀있기 때문에 어디서 출발해도 결국 다 만나게 되거든요.

오늘은 그 시작으로 '세상은 다 뭘로 만들어진거야?'라는 질문이 좋을 것 같네요.

: 근데 생각해보니까 질문이 좀 진부하긴 해. 사실 나도 알아. 작은 알갱이(?), 입자(?) 같은걸로 다 만들어진거잖아. 근데 그게 정확히 뭔지는 모르겠어. 이름도 너무 많아. 입자? 분자? 미립자? 전자? 양성자? 원소? 중성자? 그리고 왜 이렇게 다들 ‘자’가 붙어 있는거야. 헷갈리게.

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원자, 양성자, 중성자, 전자

 세상이 무엇으로 이루어져 있냐는 질문에 대한 답변은 여러 방법으로 할 수 있지만 '원자'라고 답하면 무난해요. 이렇게 되기까지 과학자들이 제안했던 온갖 이야기들이 있지만 모두 미루고 본론부터 이야기할게요.

여기 헬륨 원자 모형이 있습니다.

부족한게 많은 모형이지만 원자에 대해 알아보기 위한 목적으로는 충분해요.

원자는 기본적으로 이런 구조로 되어 있는데요, 뜯어보면 가운데 무언가 뭉쳐있는 부분을 '원자핵' 이라고 하고, 그 주변을 서성거리는 애들이 '전자' 에요.

기본적으로는 이렇고요, 더 파고 들어가서 원자핵을 쪼개보면 '양성자' 와 '중성자' 가 나와요.
이게 원자 구성의 끝이에요. 간단하죠?

 

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얼마나 크고, 얼마나 무겁나

 

 세상은 이 작은 원자들과 그것들의 상호작용으로 돌아간다고 볼 수 있는데요, 그러면 그 상호작용을 가능하게 하는 이 작은 입자들의 특징을 좀 살펴볼까요.


① 원자의 크기

원자는 이미 우리가 다 알고 있는 것처럼 엄청 엄청 작아요. 하지만 엄청 작다는게 도대체 얼마나 엄청 작은걸까요? 먼지 정도 되는걸까요?

원자 하나의 크기는 10^-10m 수준인데요, 이건 물체를 10,000,000,000배 정도 확대하면 그제서야 원자 하나가 나온다는 뜻이에요.

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② 전자의 크기

근데 그건 원자의 크기를 말하는거고, 그걸 이루는 원자핵과 전자는 더 작겠죠?

우선 전자는 크기가 없다고 보면 돼요. 그냥 위치와 특징만 갖고 있는 점이라고 볼 수 있죠. 위의 모형에서는 동그랗게 표현했지만요.

질량은 9.1095×10^-31kg 인데요, 이 숫자를 외우거나 할 필요는 없지만 당연히 너무너무 가벼운 수준이구나 하면 될 것 같아요.

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③ 원자핵의 크기

이에 반해 원자핵은 크기가 있는데요, 이것도 너무너무 작아요. 원자 하나의 10^-5 수준인데요, 그러니까 원자 하나를 100,000배 확대해야 원자 핵이 나온다는 뜻이에요.

이게 어느정도냐면 우리 하마의 키가 대략 1.5m정도 되는데, 강원도가 원자 하나의 크기일 때 하마 한마리의 크기가 원자핵의 크기에 해당하는거에요. 그러니까 그냥 너무너무 작은거라는 거죠.

원자핵은 이렇게 작고 전자는 크기도 없는 점이라니, 그러면 남은 부분은 다 뭘까요? 아무것도 없는거에요. 즉 원자의 대부분은 그냥 빈 공간이에요. 우리가 사는 이 세계를 이루는 그 모든 원자들의 대부분이 빈공간인거죠.

원자핵을 이루는 양성자 하나의 질량은 1.6726×10^-27kg 인데요, 이것도 숫자를 외울 필요는 없지만 전자의 1836배 정도 수준이에요. 그러니까 원자의 질량은 거의다가 원자핵의 질량이다, 이렇게 보면 된다는 거에요.

 

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얘네들의 전기

그림을 보면 양성자에는 +, 전자에는 - 표시가 있죠? 진짜 이렇게 생겼다는게 아니라 입자들이 띠고 있는 전기를 얘기하는 거에요.

전기가 뭐냐면, 어떤 물질이 가지고 있는 전하량을 말하는건데요, '질량'처럼 그 물질의 고유한 성질 중의 하나에요.

양성자는 + 전기를 띠고 있고, 전자는 - 전기를 띠고 있는데 그 양이 정확히 동일해요.

중성자에는 아무 표시가 없죠? 전기를 띠지 않는 거에요. 이런 성질 때문에 중성자의 존재를 발견하기까지 오랜 시간이 걸렸어요.


전기는 물리에서 너무너무 중요한 개념이기 때문에 나중에 또 이야기 할 기회가 있을거에요.

 

 

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원자의 번호

세상은 원자로 이루어져 있어요. 그리고 각 원자에는 번호가 붙어 있는데, 이 번호는 각각이 가지고 있는 양성자가 몇 개인지를 의미해요.

수소는 1번이고, 탄소는 6번인데요. 즉, 수소는 양성자가 1개이고, 탄소는 양성자가 6개라는 말이에요. 이렇게 양성자가 몇 개냐에 따라 어떤 원소인지가 결정되고 특징이 결정되는 거에요.

 

원자는 기본적으로 전기를 띠지 않아요. 그런데 양성자가 6개 있으면 전자가 6개 있어야 전체를 합해서 전기가 0이 되겠죠? 그래서 원자에는 양성자와 전자가 같은 수로 있어요.

중성자의 경우는 원자마다 다른데, 이름은 탄소라고 해도 중성자가 4개일수도 있고 5개일수도 있어요. 중성자가 몇개냐에 따라 안정한지 불안정한지가 결정돼요.

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세상을 이루는건 원자?

: 그러면 물은 물 원자가 모여서 만들어진거구나? 모래는 모래 원자가 모여서 만들어진거고? 쉽네!!

아쉽지만 그건 아니에요. 지금까지 발견된 원소는 118 종류밖에 없고 세상은 이들의 조합으로 이루어지죠. 레고처럼 여기랑 붙기도 하고 저기랑 붙기도 하면서 온 세상을 만들어내는 거에요.

예를 들면 물은 물 분자로 이루어져있어요. 아래처럼 만들어져서요.

 

 

우리가 마시는 공기에는 질소, 산소, 이산화탄소 기체 등이 들어있어요. 이것들 모두 원자의 조합으로 이루어진거구요.

 

 

데모크리토스는 원자를 알파벳에 비유했어요. 알파벳을 조합하여 희극, 비극, 서사시 등을 쓰는것처럼 118종의 원자를 조합하여 세상이 만들어지는거에요.

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이번에는 이렇게 세상의 재료가 무엇인지에 대해 다뤄봤어요. 기본이라고 해서 중요하지 않은 건 아니에요. 오늘 알게된 내용으로 정말 정말 많은 것들을 설명할 수 있거든요. 다음에는 이런 것들을 다 어떻게 알게 되었는지를 살펴볼거니까 함께 봐주세요.