원자 뜻. 원자란 무엇인가

세상을 이루는 가장 작은 단위의 물질이라고 하는 원자란 무엇인지 알아보겠습니다.

 

원자는 독일어 atom을 뜻하며 이 독일어 atom은 더 이상 나뉠 수 없다는 뜻을 가지고 있습니다. 한자로 원자原子는 물질의 근본이 되는 것이라는 의미 입니다. atom이라는 언어적 뿌리가 고대 그리스어에 있는것 뿐만 아니라. 이미 기원전 5세기에 고대 그리스 철학자 데모크리토스가 그 추상적인 개념을 썼습니다.

 

원자는 모든 물질을 이루는 최소 단위의 물질이며 이것은 더이상 화학반응을 통하여 쪼개지지 않는 단위와 같은 뜻 입니다.

모든 기체 액체 고체 플라즈마까지 원자로 되어 있습니다. 현대물리학의 관점에서 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있습니다. 그리고 원자핵은 중성자와 양성자로 구성됩니다. 여기서 또 핵반응을 통하여 더 작은 단위로도 나뉠수도 있습니다. 원소라는 단어를 원자와 혼동할 수도 있는데 원자가 물질을 구성하는 기본 입자라고 한다고 하면 원소는 물질을 구성하는 성문의 종류라고 생각하면 됩니다. 이 외에 여러 원자의 화학적 결합이루어진 분자라는 것은 물질을 성질을 가지고 있는 가장 작은 입자라고 할 수 있습니다.

 

물질의 구조에 대한 현대적인 개념은 19세기에 돌턴의 원자론으로 부터 시작 됩니다.

존 돌턴은 1803년에 실험결과를 분석하여 화합물이 만들어질 때 필요한 원소들의 질량의 비율이 간단한 정수비를 나타낸다는 법칙을 발견하였습니다. 물질들은 기본적인 질량단위로 구성되어 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 이것을 배수 비례의 법칙 law of multiple proportion 이라고 합니다.

존 돌턴은 돌턴의 원자론을 1808에 발표하여습니다.

원소는 원자라고 하는 아주 작은 입자로 구성되어 있소 한 원소의 원자들은 모두 동일하며 크기 질량 화학적 성질이 전부 동일합니다. 한 원소의 원자들은 다른 모든 원소의 원자와 서로 다릅니다. 화합물은 두 개 이상의 원소의 원자로 구성되고 어떤 화합물이든 존재하는 어느 두 원소의 원자소의 비는 정수 혹은 간단한 분수입니다. 화학반응은 원자의 분리 결합 재배열만을 포함하며 원자는 화학반응으로 생성되거나 사라지지 않습니다.

돌턴이 원자론을 제안하였지만 원자론이 실증된 것은 아니였습니다. 1900년대 초반에 아인슈타인Albert Einstein은 브라운 운동을 설명하면서 작은 입자의 존재와 그들의 움직임을 수학적으로 제시하였다. 그 뒤 프랑스의 장 페랑Jean Perrin은 아인슈타인의 이론을 이용하여 실험적으로 원자의 질량과 크기를 측정하였다.

원자의 구조는 전자 양성자 중성자로 이루워져 있습니다. 이는 원자를 더 이상 난눠지지 않는것으로 생각했던 돌턴에 생각과 다르게 19~20세기 연구결과들로 전자 양성자 중성자가 존재한다는 것이 규명되었습니다.

1897년에 영국의 과학자인 조지프 존 톰슨에 의해 음극선이 전자기파의 일종이 아닌 수소보다도 1800배나 가벼운 입자로 이루어진 빔이라는 사실을 발견하고 원자보다 가벼운 입자가 존재함을 시사합니다. 이 입자는 처음으로 발견된 아원자입자로 이후 전자로 명명 됩니다. 원자로 이루어진 음극 판에서 음극선이 방출되기 때문에 원자가 쪼개질 수 있다는 사실이 분명하게 드러났습니다. 톰슨은 1906년에 노벨 물리학상을 수상 하였습니다.

1910년 영국의 과학자인 어니스트 러더퍼드의 알파입자 산란실험을 통하여 핵의 존재가 확인 되었습니다. 원자 내에 양전하가 한군데 모여있고 그 위치는 원자의 중심이 되어야함 한다는 것을 논증하였습니다. 이렇게 제안된 모형이 다음과 같은 원자모형(행성모형)입니다.

이후 질량분석기가 발달되면서 원자의 질량을 더욱 정밀하게 측정할 수 있게 되었고 프랜시스 윌리엄 애스턴은 이 기구를 통해 동위원소들이 서로 다른 질량을 가지며 원자질량이 일정한 정수비를 가진다는 정수율을 발경 합니다. 동위원소란 같은 수의 양성자를 가지나 다른 수의 중성자를 가지는 종류의 입자라는 사실이 발혀졌습니다.

 

영국의 물리학자 모슬리Henry Moseley는 원자의 핵에 주기율표 원소의 원자 번호와 같은 수의 양전하가 있다는 것을 실험적으로 밝혔다.

 

주기율표

덴마크의 물리학자 닐 보어Niels Bohr는 원소의 비연속적인 선 스펙트럼을 설명하기 위해 새로운 원자 모델을 제안했습니다. 보어는 이 모델에서 전자가 핵 주위의 특정 궤도 사이를 이동한다는 것을 알게 되었습니다. 하전입자는 핵 주위를 회전함에 따라 회전 각속도가 지속적으로 변화함에 따라 에너지를 잃지만, 특정 궤도에서 핵 주위를 공전할 때 에너지를 잃으며, 핵 주위의 궤도 간 에너지의 차이가 원소의 선 스펙트럼을 설명할 수 있는 해당하는 전자파를 흡수하거나 방출합니다. 이 제안은 현대적 관점에서 보면 약간의 오차가 있지만, 에너지가 이산값을 갖는다는 양자효과를 최초로 도입한 모델로서 매우 획기적인 이론으로 양자역학의 출발점 중 하나가 되었습니다.

 

그렇다면 원자의 크기는 얼마나 될까요? 원자의 지름은 100억분의 1미터 정도로 너무 작아서 그 크기를 상상하기 어렵습니다. 원자 내부의 핵은 원자 직경의 약 1/100,000입니다. 원자의 크기를 야구장에 비유하면, 핵은 경기장 한가운데에 있는 개미만한 크기로, 원자 전체 크기에 비하면 매우 작다. 따라서 원자의 구조는 중심에 매우 작은 부피의 원자핵이 있고 원자핵 주위에 전자가 퍼져있는 것으로 생각할 수 있습니다. 즉, 원자 내부의 공간이 대부분 비어 있음을 알 수 있습니다.