핵으로 이루어진 원자에 대해 알아보자

모든 물질은 원자로 이루어져 있습니다. 원자는 물질을 이루는 기본 구성단위입니다. 20세기 초 원자의 조성들이 밝혀지기 시작했을 때, 과학자들은 17세기에 뉴턴이 제안한 운동 법칙들로 이루어진 고전 역학을 이용하여 원자의 구조를 설명할 수 있을 것으로 예상했었습니다. 왜냐하면 고전 역학은 가시적인 물체들의 운동과 에너지 등을 매우 성공적으로 증명해 왔기 때문입니다. 하지만 고전 역학만을 이용하여 원자 내 전자를 설명할 수 없게 되자, 새로운 법칙들로 이루어진 양자 역학이 탄생하였습니다. 오늘은 원자의 구조와 특징들에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

 

핵으로 이루어진 원자

Dalton은 원자를 내부 구조가 없는 단순한 공으로 생각하였지만, 원자의 내부 구조는 아원자 입자로 이루어져 있습니다. 중요한 세 가지 아원자 입자는 전자, 양성자, 중성자입니다. 이들 내부 구조가 어떻게 되어 있느냐에 따라 원자의 구조를 변화시키며, 원소의 성질을 결정하게 됩니다. 

원자의 내부 구조에 대한 최초의 연구는 1897년 영국의 물리학자 Joseph John Thomson에 의해 아원자 입자인 전자를 발견한 것입니다. 이후 전자의 전하 자체를 측정하기에 이르렀습니다. 현대의 전자 전하는 -e로 음전하의 최소단위입니다. e는 기본 전하라고 부르며 양전하의 최소 단위입니다. 

 

전자는 음전하를 가지고 있지만 원자는 전체적으로 중성입니다. 따라서 과학자들은 원자 내에는 전자의 음전하를 상쇄시키는 데 충분한 양전하가 있어야 한다는 것을 알고 이를 증명하기 위해 다양한 가설과 실험들이 이어졌습니다. 그러던 중 Geiger-Marsden 실험의 결과를 통해 양전하가 중심점에 밀집되어 고밀도의 핵을 이루고 주위의 빈 넓은 공간에 전자가 존재하는 핵모형을 제시합니다. 그리고 Rutherford는 연구를 통해 핵은 각각 +e의 전하를 띠는 양성자들과 전하를 띠지 않는 중성자들로 이루어졌다는 것이 밝혀냈습니다. 핵의 전하는 전기적으로 중성이므로 원소마다 핵에 들어 있는 양성자의 수는 고유한 값을 갖습니다. 이러한 특성 때문에 핵에 있는 양성자의 수를 원자 번호로 나타냅니다. 원자는 전기적으로 중성이므로 예를 들어 원자 번호가 10인 원자는 핵의 전하가 +10e이고 10개의 전자가 핵 주위에 존재함을 알 수 있습니다.

원자 스펙트럼

원자의 구조에 대한 정보는 전자기 복사선으로부터 얻을 수 있습니다. 먼저 전자기 복사선은 무엇인지 간단하기 알아보겠습니다. 전자기 복사선은 10억 8천만 km/h의 속력으로 빈 공간을 통해 전파되는 진동하는 전기장 및 자기장으로 구성되어 있습니다. 여기서 속력은 빛의 속력이라고 합니다. 원자를 연구하는 데 전자기 복사선이 좋은 도구가 되는 이유는 전기장이 전자와 같은 전하를 띤 입자에 힘을 줄 수 있기 때문입니다. 전기장은 방향과 세기가 주기적으로 변하기 때문에 영향을 받은 복사선은 진동수를 가집니다. 파동의 특성은 진폭(파동의 중앙선으로부터의 높이)과 파장(봉우리 간 거리)으로 결정되며, 복사선의 세기 또는 밝기는 진폭의 제곱으로 결정됩니다. 전자기 복사선은 스펙트럼 중 어느 영역에 속하느냐에 따라 파장이 다릅니다. 파장이 짧으면 높은 진동수 복사선이고 파장이 길면 낮은 진동수 복사선이 됩니다. 

 

이제 원자의 구조를 알아봅시다. 이해하기 쉽게 전자를 한 개만 가지고 있는 수소 원자를 이용하여 설명하도록 하겠습니다. 저압의 수소 기체 시료에 전류가 흐르면 빛이 발생합니다. 수소 분자가 수소 원자로 되면서 높은 에너지를 가지고 들뜬 상태가 되었다가 다시 수소 분자가 되는 과정에서 과잉 에너지를 전자기 복사선의 형태로 방출하기 때문입니다. 기체 내 들뜬 원자들은 빛을 내며 발광합니다. 일반적으로 빛은 연속 스펙트럼을 갖는데, 들뜬 수소 원자가 방출한 빛을 프리즘에 통과시키면 여러 개의 불연속 스펙트럼선이 나타납니다. 사실 프리즘을 통과시켜 볼 수 있는 빛은 가시광선 파장이지만, 실제로는 그 외 자외선과 적외선도 방출합니다. 이러한 여러 가지 스펙트럼선을 통해 수소 원자가 여러 개의 성분으로 이루어졌다는 것을 밝혀내었고, 나아가 원자를 구성하는 전자들이 특정한 에너지 값만을 가진다는 것도 알아내었습니다. 

 

과거에 원자가 속이 빈 구 형태라고 예상했지만, 오늘날 과학자들의 연구를 통해 양성자와 중성자, 그리고 전자를 발견하였고, 에너지 또한 가지고 있음을 알게 되었습니다.