원소의 화학적 성질을 가진 최소 단위체

원자는 원소의 화학적 성질을 갖는 최소 단위이다. 가장 작은 수소 원자의 반지름은 53 pm이며, 다른 원자의 반지름은 100 pm 단위이다. 원자는 매우 작기 때문에 그 성질과 양태을 이해하기 위해서는 고전 역학(classical mechanics)보다는 양자 역학(quantum mechanics)을 이용한다. 원자는 핵(nucleus)과 그 주위에 분포되어 있는 전자(electron)들로 이루어져 있다. 원자핵은 양전하(positive charge)를 갖는 양성자(proton)와 전기적으로 중성인 중성자(neutron)로 이루어져 있으며 원자 질량의 대부분을 차지한다. 원자핵은 양성자와 중성자 사이의 핵력(nuclear force)에 의해 서로 결합되어 있으며, 이 힘은 원자핵 내부와 같이 짧은 거리에서는 양성자 사이의 정전기적 반발력보다 커서 핵으로 뭉쳐 있다. 원자핵과 그 주위에 분포된 전자들 사이에는 쿨롱 전기적 인력(Coulomb electric force)이 작용한다. 원자의 화학적 성질은 양성자 수에 의해 결정되기 때문에 양성자의 수가 같은 원자들은 같은 원소의 원자로 분류한다. 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 원자들을 동위원소(isotope)라고 부른다. 동위원소는 양성자 수가 같기 때문에 같은 원소의 원자들이고, 화학적 성질이 동일하다. 하지만 중성자 수가 서로 달라 다른 질량수를 가지며 이로 인한 특성 - 동위원소 효과라고 부르는 차이를 보인다.

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원자의 구성에 관한 대략적인 그림 (출처)

고대 그리스 철학자 중 일부는 물질이 더 이상 쪼개질 수 없는 작은 단위로 이루어져 있으며, 이들을 원자(atom)라고 불렀다. 루시푸스(Leucippus), 데포크리투스(Democritus) 등이 대표적인데, 이들은 과학적 발견이나 실험을 통해 원자를 발견한 것이 아니라, 철학적 사유의 일부로 원자론을 주창했다. 당시 원자론은 크게 받아들여지지 않았고, 물질을 설명하는 많은 이론 중 하나로만 받아들여졌다.

고대 그리스인들은 모든 물질은 흙(earth), 물(water), 공기(air), 불(fire) 4개 원소로 이루어졌다고 생각하기도 하였다. 고대 그리스 철학자들은 더 나아가 이 네 가지 원소들을 인간의 성질을 이루는 요소로도 설명하기도 하였다. 히포크라테스는 인간의 몸에서 발견되는 네 가지 체액을 설명하는 데에도 이 네 가지 요소들을 이용하기도 하여, 이 네 가지 요소들이 균형을 이룰 때 인간이 정신적으로나 육체적으로 건강하다고 하였다. 또한, 이 네 가지 원소 외에 에터(aether)를 포함하여 5 원소를 기본 물질로 보기도 하였다. 이 에터는 현대적인 의미의 에너지에 해당한다고 볼 수 있다.

1800년대 초 영국의 과학자 돌턴(John Dalton, 1766-1844)에 이르러 현대적 의미의 원자에 대한 묘사가 이루어졌다. 돌턴은 화학 반응이 일어날 때 특정 정수비로만 반응이 일어나는 것을 관찰하였고, 이를 설명하기 위해 물질이 더 이상 나눌 수 없는 작은 단위로 이루어져 있다는 개념을 도입하였다. 예를 들어 산화 주석의 경우 주석과 반응하는 산소의 질량은 1: 2의 정수비를 갖는다는 것을 발견하였다. 이를 설명하기 위해 가장 작은 산소 물질 단위가 존재한다고 제안하였다.

구체적인 돌턴의 원자론 가설은 다음과 같다.

(1) 모든 물질은 원자로 이루어져 있으며, 원자는 더 이상 쪼갤 수도, 파괴될 수도 없다.

(2) 주어진 원소의 원자들은 모두 같은 질량과 성질을 갖는다.

(3) 화합물(compound)은 두 개 또는 그 이상의 서로 다른 종류의 원자들로 구성되어 있다.

(4) 화학 반응은 원자들의 조합이 바뀌는 것이다.

돌턴의 원자론은 그 후 약간 수정이 되었지만, 현대 원자론의 바탕을 이루고 있다. 돌턴의 원자론 중 수정된 내용은 다음과 같다. 원자는 원자핵 반응을 통해 소립자들로 쪼개질 수 있다. 또한, 많은 원소에는 동위원소들이 있어, 같은 원소의 원자라도 질량이 조금씩 다를 수 있다. 하지만 이들 동위원소들은 서로 같은 화학적 성질을 가지고 있다.

돌턴이 원자론을 제안하였지만, 원자론이 실증된 것은 아니었다. 1900년대 초반 아인슈타인(Albert Einstein)은 브라운 운동을 설명하면서 작은 입자의 존재와 그들의 움직임을 수학적으로 제시하였다. 그 후 프랑스의 장 페랑(Jean Perrin)은 아인슈타인의 이론을 이용하여 실험적으로 원자의 질량과 크기를 측정하였다.¹⁾

영국의 과학자 톰슨(J. J. Thomson)은 유명한 음극선 빔(cathode ray) 실험에서 음극선을 구성하는 입자가 음전하를 띤다는 것을 알아내었고, 그 입자의 질량과 전하 비를 측정하였다. 그는 이 입자가 원자보다 작은 입자임을 알아내었고, 이를 'corpuscle'이라고 불렀다. 후에 이 입자가 광전 효과(photoelectric effect)에서 방출되는 입자이며, 금속 선을 통해 이동하는 입자라는 것을 알게 되었다. 그리고 이를 전자(electron)라고 부르게 되었다.

20세기 초반 러더포드(Earnest Rutherford)는 금속 호일 표면에 알파 입자(alpha particle)를 투사하여 이들이 산란되는 것을 관찰하였다. 이 실험에서 어떤 알파 입자는 90도보다 더 큰 각도로 산란됨을 관찰하였는데, 이는 양전하가 원자에 고르게 퍼져 있다는 '원자 푸딩 모델'과는 일치하지 않는 결과였다. 이 실험 결과를 토대로 러더포드는 양전하가 아주 작은 입자(nucleus)에 집중되어 있다고 추론하였다. ²⁾

덴마크의 물리학자 보어(Niels Bohr)는 원소들의 선 스펙트럼(line spectrum)이 연속적이지 않은 현상을 설명하기 위해 새로운 원자 모델을 제시하였다. 보어는 이 모델에서 전자는 핵 주위의 특정 궤도들(orbits) 사이에 전이한다고 이해하였다. 전하를 띠는 입자가 핵 주위를 회전하면 회전 각속도가 지속적으로 변하면서 에너지를 잃지만, 그는 특정 궤도에서 핵 주위를 돌 때는 에너지 손실이 없으며, 핵 주위의 궤도 사이를 이동할 때 그 궤도들의 에너지 차이에 해당하는 전자기파를 흡수 또는 방출하며, 이로써 원소들의 선 스펙트럼들을 설명할 수 있다고 제안하였다. 이 제안은 현대적인 관점에서는 몇 가지 오류가 있지만, 에너지가 불연속인 값을 갖는다는 양자 개념(quantum effect)을 처음으로 도입한 모델로 매우 획기적인 이론이었으며, 양자 역학의 출발점 중 하나이다.

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보어의 원자 모델 (출처)

모슬리(Henry Moseley)는 원자의 핵에 주기율표 원소의 원자 번호와 같은 수의 양전하가 있다는 것을 실험적으로 밝혔다.

전자의 질량, m_e = 9.11×10⁻³¹ kg

양성자의 질량, m_p = 1.6726×10⁻²⁷ kg

중성자의 질량, m_n = 1.6929×10⁻²⁷ kg

전자의 전하, e^- = 1.602176634×10⁻¹⁹ C

원자의 실제 질량은 종종 원자 질량 단위[atomic mass unit: a.m.u. 또는 u, dalton(Da)]로 나타낸다. 이 단위는 탄소-12 동위원소 원자 한 개의 질량의 1/12에 해당하며, 실제 질량은 1.66×10⁻²⁷ kg 이다. 가장 가벼운 원소인 수소-1(hydrogen-1)의 질량은 1.007825 u이다. 하지만 가장 무거운 원자의 질량도 너무 작아, 화학자들은 일반적으로 몰질량을 사용한다. 1몰 원자는 약 6.022×10²³개 원자를 일컫는다. 원자 몰질량은 1몰 원자의 총 질량이다. 예를 들어, 탄소-12의 몰질량은 12 g이다.

양성자 수가 같은 원소들은 모두 같은 원자 번호(atomic number)를 갖는다. 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 원소를 동위원소(isotope)라 부른다. 대표적인 예로, 수소(hydrogen 또는 protium)는 양성자를 1개만 가지고 있고, 중수소(deuterium)는 양성자 1개와 중성자 1개를 가지고 있으며, 삼중수소(tritium)는 양성자 1개와 중성자 2개를 가지고 있다. 양성자의 숫자를 원자 번호라 부르고, 원소 기호의 왼쪽에 아래 첨자로 표기한다. 원자 번호는 원소마다 고유하므로 표기하지 않기도 한다. 양성자 수와 중성자 수를 더한 값을 질량수(mass number)라 부르며, 원소 기호의 왼쪽에 위첨자로 표기한다.

지금까지 지구상에서 339개 종류의 핵이 발견되었고, 이 중 254개는 핵붕괴(nucleus decay)가 일어나지 않는 안정한 핵으로 알려져 있다. 붕괴가 일어나지 않는 원소를 안정 동위원소(stable isotope), 붕괴가 일어나는 원소를 방사성 동위원소(radioactive isotope)라 한다.

1. Patterson, G. (2007). 'Jean Perrin and the triumph of the atomic doctrine'. Endeavour. 31 (2): 50–53.
2. Rutherford, E. (1911). 'The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom'. Philosophical Magazine. 21 (125): 669–688.