원소와 원자
빛이 산란하면 색이 나온다는 사실을 알았다. 빛도 하나만 있는 것이 아니다. 우리가 눈으로 보는 가시광선 말고도 여러 종류의 빛이 있다. 여기서 말하는 빛은 태양이 수소 핵을 융합하는 과정에서 나온다는 사실을 알았다. 우리가 파란 하늘을 보고 초록의 나뭇잎을 보는 것도 햇빛 덕분이다. 햇빛은 너무 고맙고 반가운 빛이다.
태양만 빛을 내는 건 아니다. 빛을 내는 물체도 많다. 물체가 빛을 내는 것은 원자 내부에서 일어나는 일 때문에 그렇다. 원자 안에 있는 전자의 움직임이 빛을 낸다. 색과 빛의 관계를 알아가는 과정에서 공부한 것들이라 정리해 본다. 비전공자가 이 이야기를 하는 것이 맞는지는 모르겠지만, 어쨌든 내가 이해한 것만 말하고자 한다. 그러다 보면 이론을 잘못 알아들었거나 논리가 약한 점이 있을 수도 있다는 사실을 밝혀둔다.
도대체 원자 내부에서 무슨 일이 일어나길래 빛을 내는 걸까? 그걸 알기 위해서는 원자 내부로 들어가 보자. 먼저 주변의 물질과 사람 몸은 무엇으로 이루어졌는지 이해하는 것이 중요하다. 화학 시간이 배웠던 사람도 있을 것이고 그렇지 않은 사람도 있을 것이다. 물질은 분자 혹은 원자로 이루어졌다는 말을 많이 들었다. 처음에는 분자가 물질의 최소 단위인 것으로 생각했는데, 분자를 이루는 원자가 있다는 사실을 알았다. 최근에는 원자를 구성하는 소립자가 발견됨으로써 물질의 최소 단위는 더 쪼개졌다.
여기서 의문점이 하나 떠오른다. 도대체 분자와 원자는 뭐가 다를까? 분자를 구성하는 것이 원자니까 더 작은 단위라는 것은 알겠다. 그렇다고 그냥 단위가 작은 것으로 끝난다면 세세하게 따질 필요까지 있을까 하는 생각도 든다. 그렇지만 과학의 관점에서는 물질의 근원을 찾는 일은 매우 중요하기 때문에 쪼개는 작업을 이어가야 한다.
우리가 원자를 이야기할 때 원자(atom)와 원소(element)를 구분해서 사용해야 한다. 원자는 낱개를 셀 때 쓰는 말이고, 원소는 그것이 모인 집합체의 이름이다. 원소(element)는 물질을 이루는 기본적인 성분이라는 추상적인 의미이고, 원자(atom)는 물질을 이루는 가장 작은 입자로 셀 수 있고 구체적인 개념이다.
물(H2O)의 구성 성분이 뭐냐고 물으면 는 수소 원소와 산소 원소라고 말하면 된다. 그러면 구체적으로 물의 구성 성분의 개수를 설명할 때는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개라고 말한다. 원소는 원자들이 모인 집합체의 이름이고, 원자는 그 안에 구체적인 개수를 말하는 개념이다. 원자와 원소의 차이에 대해서는 이 정도만 언급한다. 내 글에서는 원소와 원자를 엄격히 구분하지 않고 원자라는 말을 주로 사용한다.
물 한 방울은 10의 21승 개의 물 분자다.
물질의 분자식을 보면 이것이 무엇인지 짐작할 수 있다. 이것을 우리는 물리적 성질을 안다고 말한다. 물 분자식을 살펴보자. 물 분자 하나는 산소 원자 하나와 수소 원자가 두 개가 합쳐진 것이다. 다시 말해 H20라는 분자식을 보면 물인 줄 안다는 말이다.
컵에 있는 물을 나누고, 나누고, 나누고, 나누면 마지막에 한 방울의 물이 남는다. 산소 원자 한 개와 수소 원자 2개가 결합한 물 분자의 덩어리가 우리가 보는 물 한 방울의 실체다. 이 말은 산소 원자 한 개와 수소 원자 2개의 결합체를 많이 모으면 물이 된다는 뜻이다. 실제로 10의 21승 개의 물 분자가 모인 것이 한 방울의 물이다.
한 방울의 물도 어마어마하게 많은 숫자의 분자로 이루어졌다는 사실은 알았다. 물 분자는 두 개의 수소 원자와 한 개의 산소 원자가 0.096 nm의 길이로 결합한 것이다. 1nm가 10-9m이니 0.096nm가 얼마나 작은 크기인지 상상이 가질 않는다. 이 작은 크기의 물 분자가 무려 10의 21승 개가 모여야 물 한 방울이 된다.
다시 말하지만, 물 분자는 수소 원자(H) 두 개(H2)와 산소 원자(O) 한 개로 이루어졌다. 이 분자식을 보면 사람들은 이것이 물인지 안다. 물질의 물리적 성질을 나타내는 최소 단위가 분자이기 때문이다. 그래서 우리는 물질의 특성을 알 수 있는 최소 단위를 분자라고 말한다.
분자를 다시 쪼개자면 원자가 된다. 서로 다른 원자들이 결합해서 분자를 이루기 때문에 분자를 쪼개면 각각 별개의 원자로 돌아간다. 구분할 수 있다. 물 분자는 원자로 구성되었기에 물을 이루는 요소는 수소 원자와 산소 원자다. 이것이 2:1의 비율로 화학적 결합하면 물 분자가 되고, 이것이 물의 물리적 성질을 나타낸다.
여기서 이들의 결합을 쪼개고 산소와 수소만 본다고 하자. 산소 원자 1개를 본다면 이게 어떤 물질을 말하는지 알 수 없다. 산소 원자는 물에도 들어있지만, 사람 몸에도 들어있다. 수소도 마찬가지다. 수소는 태양의 핵융합을 일으키는 중요한 원소이면서 사람 몸에도 제일 숫자가 많은 원소이다. 그래서 우리가 수소만 놓고 본다면, 이게 사람 몸에 쓰이는 건지 태양의 핵융합에 쓰이는 건지 알 수 없다. 두 군데 다 쓰이기 때문에 둘 다 맞는 말이다.
물은 산소 원자 1개와 수소 원자 2개가 손을 잡고 결합했을 때 물의 존재 가치를 가진다. 이들이 손을 놓고 서로 헤어지면 그들이 어떤 사물의 구성 요소가 될지 모른다. 거의 모든 물질의 요소가 될 수도 있지만, 그것의 물리적 특성을 파악할 수 없다. 개별 원자 정확하게 말하면 원소만 보고는 장차 어떤 분자를 이룰지, 궁극적으로는 어떤 물질인지 알 수 없다. 다음 글에서는 빛을 내는 원자 내부의 움직임을 살펴볼 것이다.
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