눈에 보이지 않던 원자의 발견, 원자론

 

잠시 하던 일을 멈추고 주위를 둘러보세요. 지금 여러분의 주위에는 무엇이 보이시나요? 그 무엇이 보이든 여러분은 원자들의 결합을 보고 계십니다. 모든 물질은 원자로 이루어져 있기 때문이죠. 하지만 원자는 그 크기가 아주 작아 우리의 눈으로 볼 수 없습니다. 그렇다면, 기술이 발전하기 이전의 과학자들은 이러한 원자의 존재를 어떻게 알아차렸을까요? 

오늘은 모든 물질의 기본 요소인 원자와 이를 둘러쌌던 다양한 원자론, 그리고 현대 원자 모형의 발견까지 살펴보도록 하겠습니다. 그럼 모두 눈 크게 뜨고, 미세한 원자의 세계로 떠나봅시다.

 

 

01

보이는 게 다가 아니다

   

 

아주 먼 옛날부터 현재까지의 다양한 원자론에 관해 설명하기에 앞서 먼저 ‘원자’란 무엇인지 알아보겠습니다. 원자(atom)는 물질을 이루고 있는 기본적인 구성단위입니다. 모든 물질을 구성하는 기본적인 요소인 원소의 화학적 성질을 갖는 최소 단위이기도 하죠.

모든 만물을 구성하는 기본 입자인 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있습니다. 양(+)전하를 띠는 양성자와 전기적으로 중성인 중성자가 모여있는 원자핵은 원자의 중심부에 위치해 있고, 음(-)전하를 가진 전자는 그 주변을 둘러싸고 있습니다. 양성자와 전자의 수는 같기 때문에 원자는 전기적으로 중성적인 안정된 상태를 유지합니다.

원자의 크기는 우리 눈으로 절대 확인할 수 없을 정도로 매우 작습니다. 원자의 지름은 100억분의 1m 정도이죠. 그렇다면 원자를 발견한 과학자들은 눈에 보이지 않는 원자의 존재를 어떻게 알아차렸을까요?

 

 

02

원자의 발견과 근대 원자론의 시작

  

원자라는 개념을 맨 처음 생각해 낸 사람은 바로 고대 그리스 철학자인 데모크리토스(Democritos)입니다. 데모크리토스는 이 세상을 이루고 있는 물질을 쪼개고 쪼개다보면 더 이상 쪼개지지 않는 작고 단단한 입자에 도달할 것이라고 생각했고, 이를 원자(atomos)라고 불렀습니다. 하지만 데모크리토스는 과학적 실험이 아닌 철학적 사유로 원자론을 주장했기 때문에 크게 받아들여지지 않았습니다.

그 후 2000여 년 이상의 시간이 흐른 1803년, 영국의 화학자이자 물리학자인 존 돌턴(John Dalton)은 보다 현대적인 개념의 원자론을 발견했습니다. 돌턴은 모든 물질이 더이상 쪼개지지도, 파괴되지도 않는 작고 단단한 공 모양으로 이루어져 있다고 생각했습니다. 이 작고 단단한 공 모양이 바로 원자이죠. 또한, 동일한 원소의 원자는 질량과 성질이 같고 모든 화학 반응은 원자의 결합과 분리에 의해 발생한다고 주장했습니다. 이러한 돌턴의 주장은 원자의 개념이 자리잡는데 큰 역할을 했습니다.

 

 

03

전자와 원자핵의 발견

   

 

돌턴이 주장한 최초의 원자 모형은 단단한 원 모양이었는데요. 100년이 지난 이후 영국의 과학자 톰슨(Joseph John Thomson)이 원자보다 작은 입자인 전자(electron)를 발견하며 새로운 원자 모형을 생각해 냈습니다. 톰슨은 양전하를 띠는 공 안에 전자가 파묻혀 있다고 주장한 것인데요 이를 비유해서 건포도가 박힌 푸딩과 같다고 이야기했습니다.

이어서 영국의 물리학자인 러더퍼드(E. Rutherford)는 원자핵을 발견하여, 원자의 중심부에는 질량이 큰 원자핵이 있고 그 주위를 전자가 돌고 있다고 주장했습니다. 원자핵을 중심으로 전자들이 어떻게 도는 지에 대해서는 이후 덴마크의 물리학자인 보어(Niels Bohr)가 추가적으로 설명하죠. 보어는 여러 행성들이 태양을 중심으로 도는 것과 같이 원자 핵 주위의 궤도를 전자가 일정하게 돈다고 이야기했습니다.

 

 

04

뭉게뭉게 현대의 원자 모형

   

 

현대로 와서는 전자가 구름과 같이 원자핵을 둘러싸고 퍼져 있다고 생각하는데요. 이와 같은 생각이 자리잡게 된 이유는 바로 독일의 이론 물리학자인 하이젠베르크(Werner Heisenberg)의 불확정성원리 때문입니다. 불확정성의 원리는 입자와 입자 집단을 다루는 현대 물리학의 기초, 양자역학의 기본적인 원리 중 하나입니다. ‘입자의 위치와 운동량은 우리가 정확하게 알 수 없다’라는 내용을 포함하고 있죠. 

원자 주위에 있는 전자는 옮겨 다니기 때문에 그 위치를 정확하게 나타내는 것이 불가능 하고, 단지 확률적으로만 나타낼 수 있다는 것이 현대의 전자 구름 모형입니다. 따라서 앞선 모형과 같이 정확한 전자의 위치를 보여주지 않고 전자가 존재할 수 있는 확률을 보여주죠.


보이지 않는 원자의 세계를 탐험하신 여러분, 눈 크게 뜨고 잘 따라오셨나요? 오늘은 우리 눈으로 절대 확인할 수 없을 만큼 작은 원자를 발견하고, 이를 둘러싼 다양한 주장을 펼쳤던 과학자들의 원자론에 대해 알아보았는데요. 
돌턴에서부터 시작한 원자의 개념은 화학에서 물질의 성질과 화학 반응을 설명하는 데 있어 중요한 역할을 했습니다. 원자의 발견은 화학적으로 아주 작지만 위대한 발견이라고 할 수 있겠네요. 그러면 다음에는 더욱 흥미로운 과학 소식으로 찾아뵙겠습니다.

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종합 케미칼 & 에너지 리더,

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