원자 안에는 무엇이 들어 있을까

원자는 단단한 공이 아니다

앞 장에서 원자는 어떤 원소의 성질을 가진 아주 작은 알갱이라고 했다. 그런데 원자는 더 이상 나눌 수 없는 단단한 공처럼 생긴 것은 아니다. 원자 안에는 더 작은 입자들이 들어 있다.

원자의 가운데에는 원자핵이 있다. 원자핵은 원자의 중심에 있는 매우 작은 덩어리다. 그 안에는 양성자와 중성자가 들어 있다. 원자핵 주변에는 전자가 있다. 전자는 원자핵 주변의 넓은 공간에 퍼져 움직인다.

간단히 말하면 원자는 이렇게 이루어져 있다.

여기서 전하는 전기적인 성질을 뜻한다. 플러스 전하와 마이너스 전하는 서로 끌어당기고, 같은 전하끼리는 서로 밀어낸다. 풍선을 머리카락에 문지르면 머리카락이 풍선에 달라붙는 현상도 전하와 관련이 있다.

원자핵은 원자 전체 크기에 비해 매우 작지만, 원자의 무게 대부분을 차지한다. 반대로 전자는 아주 가볍지만, 원자의 바깥쪽에서 다른 원자와 만나는 역할을 한다. 그래서 화학에서는 전자가 특히 중요하다.

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양성자는 원소의 이름표다

원소를 구별하는 가장 중요한 기준은 양성자 수다. 원자핵 안에 양성자가 몇 개 들어 있는지가 그 원자가 어떤 원소인지를 결정한다.

예를 들어 수소 원자는 양성자가 1개다. 탄소 원자는 양성자가 6개다. 산소 원자는 양성자가 8개다. 만약 어떤 원자핵에 양성자가 6개 들어 있다면, 그 원자는 언제나 탄소 원자다. 중성자 수가 조금 달라도, 전자 수가 잠깐 달라져도, 양성자 수가 6개이면 탄소라는 정체성은 유지된다.

이 양성자 수를 원자 번호라고 한다. 주기율표에서 원소 기호와 함께 적힌 숫자 중 하나가 바로 원자 번호다. 주기율표가 원소의 지도라면, 원자 번호는 각 원소의 주소와 같다.

양성자 수가 바뀌면 어떻게 될까? 그때는 원소 자체가 바뀐다. 양성자 6개인 탄소가 양성자 7개가 되면 더 이상 탄소가 아니라 질소가 된다. 이것은 보통의 화학 반응에서 쉽게 일어나는 일이 아니다. 원자핵이 바뀌는 일은 핵반응의 영역에 가깝다.

반대로 화학 반응에서는 주로 전자의 움직임이 달라진다. 원자의 중심 이름표인 양성자는 그대로 있고, 바깥쪽 전자가 다른 원자와 관계를 맺으며 물질의 성질을 바꾼다.

전자는 왜 화학 반응의 주인공일까

원자핵은 원자의 깊은 중심에 있다. 다른 원자가 가까이 와도 원자핵끼리 바로 만나는 일은 거의 없다. 먼저 마주치는 것은 바깥쪽에 있는 전자들이다.

전자들은 원자핵 주변에 있으며, 특히 가장 바깥쪽에 있는 전자들이 다른 원자와의 관계에서 중요하다. 이 전자들을 바깥쪽 전자 또는 원자가 전자라고 부른다. 원자가 전자는 원자가 다른 원자와 결합할 때 주로 관여하는 전자다.

예를 들어 나트륨과 염소를 생각해 보자. 나트륨은 바깥쪽 전자를 잃기 쉬운 성질이 있고, 염소는 전자를 얻기 쉬운 성질이 있다. 그래서 둘은 만나면 전자를 주고받는 방향으로 안정해지려 한다. 그 결과 우리가 먹는 소금의 주성분인 염화 나트륨이 만들어질 수 있다. 자세한 결합 방식은 다음 장에서 다루겠지만, 핵심은 이것이다. 화학 결합과 화학 반응의 많은 부분은 전자가 어떻게 움직이고 배치되는가와 관련이 있다.

앞 장에서 같은 족의 원소들이 비슷한 성질을 가진다고 했다. 그 까닭도 전자와 연결된다. 같은 족의 원소들은 바깥쪽 전자의 배치가 비슷한 경우가 많다. 겉으로 만나는 전자의 모습이 비슷하니, 다른 원소와 반응하는 방식도 비슷해지는 것이다.

비유하자면 원자핵은 사람의 신분증에 가깝고, 바깥쪽 전자는 다른 사람과 악수하고 대화하는 손에 가깝다. 신분증이 그 사람이 누구인지를 알려 준다면, 손은 실제 만남에서 관계를 만든다.

전자 수가 달라지면 이온이 된다

보통의 원자는 양성자 수와 전자 수가 같다. 양성자는 플러스 전하, 전자는 마이너스 전하를 띠므로 두 수가 같으면 전체 전하는 0이 된다. 이런 상태를 전기적으로 중성이라고 한다.

하지만 어떤 원자는 전자를 잃거나 얻을 수 있다. 전자를 잃으면 마이너스 전하가 줄어들어 전체적으로 플러스 전하를 띤다. 전자를 얻으면 마이너스 전하가 많아져 전체적으로 마이너스 전하를 띤다. 이렇게 전기를 띠게 된 원자나 입자를 이온이라고 한다.

소금이 물에 녹을 때를 떠올려 보자. 소금은 물속에서 나트륨 이온과 염화 이온으로 나뉠 수 있다. 그래서 소금물은 순수한 물보다 전기가 잘 통한다. 전기를 띤 입자들이 물속에서 움직일 수 있기 때문이다.

여기서 중요한 점은 이온이 되어도 원소의 정체성은 바뀌지 않는다는 것이다. 나트륨 원자가 전자를 잃어 나트륨 이온이 되어도, 양성자 수는 그대로다. 그래서 여전히 나트륨이다. 원소의 정체성을 정하는 것은 전자 수가 아니라 양성자 수다.

중성자가 달라지면 동위원소가 된다

이제 중성자를 살펴보자. 중성자는 전하가 없다. 이름 그대로 전기적으로 중성이다. 그렇다고 중요하지 않은 것은 아니다. 중성자는 원자핵 안에서 양성자들과 함께 있으며, 원자핵의 안정성과 무게에 영향을 준다.

같은 원소라도 중성자 수가 다른 원자들이 있다. 이것을 동위원소라고 한다. 동위원소는 "같은 원소이지만 무게가 조금 다른 원자"라고 이해하면 쉽다. 양성자 수는 같고, 중성자 수가 다르기 때문이다.

탄소를 예로 들어 보자. 탄소 원자는 언제나 양성자가 6개다. 그런데 중성자는 6개일 수도 있고, 7개일 수도 있고, 8개일 수도 있다.

• 양성자 6개 + 중성자 6개 → 탄소-12

• 양성자 6개 + 중성자 7개 → 탄소-13

• 양성자 6개 + 중성자 8개 → 탄소-14

여기서 12, 13, 14는 양성자 수와 중성자 수를 더한 값이다. 이를 질량수라고 한다. 질량수는 원자핵을 이루는 큰 입자들의 개수를 나타내는 숫자라고 볼 수 있다.

동위원소들은 화학적 성질이 대체로 비슷하다. 왜냐하면 화학 반응에는 주로 전자가 관여하고, 같은 원소의 동위원소들은 전자 배치가 거의 같기 때문이다. 하지만 원자핵의 안정성은 다를 수 있다. 어떤 동위원소는 안정하지만, 어떤 동위원소는 시간이 지나며 다른 원자로 변하기도 한다.

탄소 연대 측정은 원자핵의 시계를 이용한다

동위원소가 실제로 쓰이는 대표적인 예가 탄소 연대 측정이다. 이것은 오래된 나무, 천, 뼈 같은 것이 언제쯤 생명 활동을 멈추었는지 추정하는 방법이다.

살아 있는 생물은 공기나 먹이를 통해 탄소를 계속 받아들인다. 그 안에는 아주 적은 양의 탄소-14도 섞여 있다. 생물이 살아 있는 동안에는 몸속 탄소의 비율이 주변 환경과 어느 정도 연결되어 있다.

하지만 생물이 죽으면 더 이상 새 탄소를 받아들이지 않는다. 그때부터 몸속의 탄소-14는 조금씩 줄어든다. 탄소-14는 불안정한 동위원소라서 시간이 지나면 다른 원자로 변한다. 과학자들은 남아 있는 탄소-14의 양을 조사해 그 물체가 얼마나 오래되었는지 추정한다.

이것은 마치 모래시계와 비슷하다. 모래가 떨어지는 빠르기를 알고 있으면, 남은 모래의 양을 보고 시간이 얼마나 지났는지 짐작할 수 있다. 탄소 연대 측정은 눈에 보이지 않는 원자핵의 변화를 시간 재는 도구로 이용하는 사례다.

단, 탄소 연대 측정이 모든 오래된 물체에 다 쓰이는 것은 아니다. 주로 한때 생물이었던 물질에 쓰이며, 너무 오래된 물체에는 적합하지 않을 수 있다. 그래도 이 방법은 원자 내부의 구조를 이해하면 과거의 흔적까지 읽을 수 있다는 좋은 예다.

원자 내부를 알면 보이는 것들

원자 안의 구조는 처음에는 멀게 느껴질 수 있다. 하지만 사실 우리는 원자 내부의 성질이 드러나는 장면을 자주 만난다.

건조한 날 옷을 벗을 때 작은 정전기가 튀는 것은 전자가 한쪽으로 치우쳤기 때문이다. 배터리가 전기를 만들어 기계를 움직이는 것도 전자의 이동과 관련이 있다. 소금물이 전기를 통하는 것도 이온이 움직일 수 있기 때문이다. 금속이 전기를 잘 통하는 까닭도 금속 안의 전자들이 비교적 자유롭게 움직일 수 있기 때문이다.

즉, 원자 내부를 안다는 것은 너무 작은 세계만 들여다보는 일이 아니다. 전기, 결합, 반응, 물질의 성질을 한 줄로 연결해 보는 일이다.

이번 장의 핵심은 세 가지다. 첫째, 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있다. 둘째, 양성자 수가 원소의 정체성을 결정한다. 셋째, 전자는 화학 결합과 반응에서 특히 중요한 역할을 한다.

이제 다음 장에서는 원자들이 왜 혼자 있지 않고 서로 결합하려 하는지 살펴볼 것이다. 그 답의 많은 부분은 바로 바깥쪽 전자에 숨어 있다.

확인 질문

1. 원자핵 안에 들어 있는 두 입자는 무엇인가?

2. 어떤 원자가 탄소인지 산소인지를 결정하는 기준은 무엇인가?

3. 전자가 화학 반응에서 중요한 까닭은 무엇인가?

4. 이온은 원자가 무엇을 잃거나 얻었을 때 생기는가?

5. 동위원소는 양성자 수가 다른 원자인가, 중성자 수가 다른 원자인가?