물질이란 무엇일까

달에 간 우주 비행사의 무게는 지구에서의 6분의 1이지만, 질량은 조금도 변하지 않습니다.

화학자는 물질(matter)을 짧은 문장 하나로 정의합니다. 물질은 공간을 차지하고 질량이 있는 모든 것입니다. 벽돌은 물질이고, 유리컵 속에 든 물도 물질입니다. 공기도 물질입니다. 눈에 보이지 않을 뿐입니다. 풍선에 입으로 바람을 불어 넣으면 풍선이 부풀어 오르는데, 여러분이 밀어 넣은 공기가 들어갈 자리를 필요로 하기 때문입니다. 반면 빛과 소리와 열은 물질이 아닙니다. 이것들은 에너지를 실어 나르지만 자기 자신의 질량이 없고, 그릇을 채우지도 않습니다.

질량과 무게는 다릅니다

질량(mass)은 어떤 물체에 물질이 얼마나 들어 있는지를 재는 양입니다. 질량은 두 가지 방법으로 알아낼 수 있습니다. 하나는 저울에 올려 표준 추와 비교하는 방법이고, 다른 하나는 그 물체를 빠르게 만드는 데 힘이 얼마나 드는지 보는 방법입니다. 예를 들어 자동차는 자전거보다 훨씬 세게 밀어야 속도가 붙습니다. 무게(weight)는 그 질량을 중력이 끌어당기는 힘입니다. 무게는 질량에 비례하지만, 여러분이 어디에 있느냐에 따라 달라집니다. 달의 중력은 지구의 약 6분의 1이므로, 달에 간 우주 비행사의 무게도 약 6분의 1이 됩니다. 그래도 그 사람의 질량, 다시 말해 그 사람을 이루는 물질의 양은 조금도 바뀌지 않습니다. 궤도를 돌 때는 무게가 없는 것처럼 느낄 수도 있지만, 질량이 없어지는 일은 결코 없습니다.

일상에서 보는 세 가지 상태

지구에서 물질은 보통 세 가지 상태 가운데 하나로 존재합니다. 먼저 고체(solid)는 단단하고 자기 모양을 그대로 지킵니다. 숟가락은 서랍 속에 놓여 있든 컵 속에 꽂혀 있든 숟가락 모양 그대로입니다. 액체(liquid)는 흐르면서 담긴 그릇의 모양을 따르지만, 중력이 작용하므로 윗면은 평평해집니다. 그런데 궤도에서는 물과 우주선이 함께 자유 낙하하므로 물을 납작하게 끌어내리는 것이 없습니다. 그래서 물 덩어리는 스스로를 끌어당겨 공 모양이 됩니다. 기체(gas)는 그릇 전체를 가득 채우므로, 모양도 부피도 모두 그릇을 따릅니다. 고체나 액체는 꽉 눌러도 부피가 거의 바뀌지 않지만, 기체는 눌러 주면 부피가 크게 줄어듭니다.

지구에서는 드물지만 우주에서는 흔한 네 번째 상태도 있습니다. 플라스마(plasma)는 입자 가운데 상당수가 전하를 띠고 있는 기체입니다. 별은 바로 이 플라스마로 이루어져 있습니다. 지구에서도 번개에서, 금속을 자르는 플라스마 절단 토치에서, 그리고 일부 옛날 텔레비전 화면에서 플라스마를 볼 수 있습니다. 한편 어떤 것들은 두 가지 이상의 상태에 동시에 속하는 것처럼 보입니다. 예를 들어 모래는 액체처럼 주르르 쏟아지지만, 알갱이 하나하나는 고체입니다. 구름은 기체처럼 하늘을 떠다니지만, 실제로는 공기에 아주 작은 액체 물방울이나 얼음 조각이 섞여 있는 것입니다.

물질은 바뀌어도 사라지지 않습니다

얼음이 녹거나 물이 끓을 때, 그 물질이 어디선가 새로 생기거나 사라지지는 않습니다. 상태가 바뀔 때에도, 화학 반응이 일어날 때에도 물질의 전체 양은 그대로 유지됩니다. 이것을 물질 보존의 법칙(law of conservation of matter), 흔히 질량 보존의 법칙이라고 합니다. 일상생활에서는 이 법칙을 눈으로 보기가 어렵습니다. 생겨난 물질 가운데 일부가 보통 기체가 되어 빠져나가기 때문입니다. 하지만 꽉 막은 그릇 안에서 반응을 일으키고 무게를 재면 저울 눈금은 조금도 바뀌지 않습니다. 주전자에서 물이 끓으면 물이 줄어드는 것처럼 보입니다. 하지만 그 물은 여전히 그대로 있습니다. 수증기가 되어 부엌 곳곳에 퍼져 있을 뿐입니다.

이 과정에서 쓰는 모형은 이 모든 현상을 입자로 설명합니다. 여기서 입자란 쉬지 않고 늘 움직이는 원자나 분자를 말합니다. 고체 속 입자는 정해진 자리에 붙들려 있어서 그 자리에서 떨기만 할 수 있습니다. 액체 속 입자는 여전히 서로 닿아 있지만, 서로의 곁을 미끄러지듯 지나가며 자리를 바꿉니다. 기체 속 입자는 서로 멀리 떨어져 있고, 무언가에 부딪칠 때까지 곧은 선을 따라 날아갑니다. 온도는 그 입자들이 얼마나 빨리 움직이는지를 알려 줍니다. 기체 분자 운동론(kinetic-molecular theory)은 이것을 정확한 말로 나타냅니다. 입자들의 평균 운동 에너지는 켈빈 단위로 잰 온도에 비례한다는 것입니다.