원자의 속

원자가 축구 경기장만 하다면 원자핵은 가운데 놓인 완두콩 하나 크기입니다.

알루미늄 포일을 반으로 자르고, 또 반으로 자르기를 계속한다고 해 봅시다. 포일이 다 떨어지기 훨씬 전에, 한 번 더 자르면 더는 알루미늄이 아니게 되는 아주 작은 조각에 이릅니다. 그 가장 작은 조각이 원자입니다. 원자 하나의 지름은 약 100억분의 1 m로 어떤 광학 현미경으로도 보이지 않지만, 모든 원자는 단 세 종류의 입자로 만들어집니다.

세 가지 입자

양성자와 중성자는 가운데의 아주 작은 원자핵에 모여 있고, 원자 질량은 거의 다 여기에 있습니다. 전자는 그 둘레에 넓게 퍼져 있어서 원자가 차지하는 공간은 거의 전자의 몫입니다. 원자핵의 지름은 원자 전체의 약 1만분의 1에서 10만분의 1입니다. 미국 국립표준기술연구소(NIST) 값으로 양성자는 전자보다 1836.15배 무겁기 때문에, 전자가 많은 원자라도 전자가 차지하는 질량은 1%에 훨씬 못 미칩니다.

다른 전하는 서로 끌어당기므로 (−) 전자는 (+) 원자핵 가까이 붙잡혀 있습니다. 그런데 양성자끼리는 서로 밀어내기 때문에, 전기력만 있다면 양성자가 여러 개인 원자핵은 흩어져 버릴 것입니다. 양성자와 중성자를 묶어 두는 것은 강한 핵력이라는 훨씬 센 힘으로, 원자핵 안의 아주 짧은 거리에서만 작용합니다.

원자 번호

양성자 수가 원소를 정합니다. 양성자가 6개면 언제나 탄소, 8개면 언제나 산소입니다. 이 수가 원자 번호이고, 주기율표는 양성자 1개인 수소부터 원자 번호 순서로 늘어서 있습니다. 전기적으로 중성인 원자는 전자 수가 양성자 수와 같아서 전하가 서로 상쇄됩니다. 원자가 전자를 잃거나 얻으면 이온이 됩니다. 전자 하나를 잃은 나트륨은 양성자 11개, 전자 10개라서 +1 전하를 띱니다.

질량수와 동위 원소

양성자 수와 중성자 수를 더하면 질량수입니다. 같은 원소라도 중성자 수가 다를 수 있는데, 이것이 동위 원소입니다. 탄소-12는 중성자가 6개, 오래된 유물의 연대를 잴 때 쓰는 탄소-14는 8개입니다. 이름 뒤의 수가 질량수이므로, 중성자 수는 언제나 질량수에서 원자 번호를 뺀 값입니다.

어떻게 알아냈을까

양성자를 렌즈로 들여다본 사람은 없습니다. 입자는 하나하나 실험으로 밝혀졌습니다. 1897년 케임브리지 캐번디시 연구소의 J. J. 톰슨은 음극선이 어떤 원자보다 훨씬 가벼운 (−) 입자인 전자로 되어 있다는 것을 보였습니다. 어니스트 러더퍼드 연구팀은 빠른 알파 입자를 얇은 금박에 쏘았는데, 몇 개가 거의 정면으로 튕겨 나왔습니다. 1911년 러더퍼드는 작고 무거운 (+) 원자핵이 있다는 것으로 이 결과를 설명했습니다. 1932년 제임스 채드윅은 원자핵 속에 전하가 없는 입자, 중성자도 있다는 것을 증명했고 이 업적으로 1935년 노벨 물리학상을 받았습니다.