우리 인간은 주변 환경에서
여러가지 물질을 알고 있었죠.
서로 다른 물질들은
...서로 다른 성질을 갖게 마련입니다.
서로 다른 성질을 가질 뿐아니라;
어떤 물질이 특정한 방향으로 빛을 반사하거나 혹은 전혀 반사하지 않는 성질같은 것들 말입니다.
혹은 특별한 색을 띄거나 온도를 가져
액체 상태로 존재하거나 기체 또는 고체 형태로 존재하기도 합니다.
반면에 어떤 환경에서는 서로 반응하여
그런 반응이 어떻게 일어나는지 관찰되기도 합니다.
여기 몇몇 물질의 사진이 있습니다.
여기 이것은 탄소구요, 이것은 그래파이트 형태의 탄소죠.
여기 이것은 납이구요: 이쪽 오른쪽에 있는 것은 금이에요.
제가 그린 이 모든 것들, 여기 사진으로 보여드린 이것들 모두는
저쪽에 보시는 웹사이트에서 얻은 것입니다.
이들 모두는 고체 형태로 존재하지만,..
우리는 그 안에 어떤 형태로든 극소량의 공기도 들어 있다는 점을 알고 있죠
아시다시피 공기 분자의 형태로 말이죠.
그리고 여러분이 들여다 보고 있는 공기 입자가 어떤 형태를 띄고 있는가에 따라
그것이 탄소든 산소든 혹은 질소든
서로 다른 성질을 띄고 있습니다.
때로는 액체 형태로 볼 수 있는 다른 것들도 있는데
이런 것들은 온도를 충분히 높힐 수 있죠.
금이나 납의 온도를 충분히 높이면
액체 형태를 띄게 됩니다.
탄소를 태우면
기체 형태로 만들 수도 있구요.
다시 그것을 대기중으로 날려 보낼 수도 있습니다.
공기 구조에서 탄소를 떼어내는거죠.
여기에 우리 인류가
수천년 동안 봐 온 것이 있습니다.
하지만 이것은 자연스럽게 다음과 같은 질문으로 이끌게 되죠.
이런 것은 한 때 철학적인 의문이었는데요
지금은 좀 더 나은 답을 가지고 있죠.
그 질문이란, 이 탄소를
더 작게 계속해서 잘라서
그래서 매우 작은 덩어리까지
탄소의 가장 작은 단위를 찾아낼 수 있는가? 하는 질문이죠.
여전히 탄소의 성질을 띄고 있는 범위에서 말입니다.
그런데 만일 그 보다 더 작은 물질로 자를 수 있다면
탄소의 성질은 없어질까요?
그 답은: 여기에 있어요.
용어를 정리해보죠.
특정한 온도에서 특별한 성질을 띄기도 하고
특정한 방식으로 반응하기도 하는
이 순수한 물질을
원소라고 부르기로 하죠.
탄소, 납, 금 이런 것들은 모두 원소입니다.
여러분들은 물도 원소라고 하고 싶으시겠죠?
역사적으로는 물도 원소라고 했던 때가 있습니다.
그러나 지금은 물이 그 보다 더 작은 기본 원소로 만들어 졌다는 것을 알고 있습니다.
물은 산소와 수소로 만들어졌죠.
여기 모든 원소가 나열되어 있습니다.
주기율표라고 하죠.
C 는 탄소를 뜻하구요.
-- 제가 인간과 관련이 깊은
원소들만 짚어보도록 하겠습니다.--
시간이 가면서 아마도 여러분들도 여기 모든 원소들에 점점 익숙해질 것입니다.
이것은 산소, 이것은 질소. 그리고 이것은 실리콘이에요.
여기 이것 --Au 는 금을 뜻하고 이것은 납이죠.
이런 원소들의 더 기본적인 단위는 원자입니다.
이런 식으로 계속 파고 들어가서
계속해서 더 작은 조각을 생각해보죠.
결국에는 탄소 원자와 만나게 됩니다.
여기에도 같은 방법을 적용해보죠.
결국에는 금 원소를 얻게 됩니다.
여기에도 같은 방법을 적용해 보면
결구에는 이렇게 작은
-- 더 나은 표현이 없어요 -- 입자를 얻게 되죠.
납 원자라고 부릅니다.
여기서 더 이상 작게 자르는 것은 불가능한데요
여전히 납이라고 할 수 있습니다.
여전히 납의 성질을 띄고 있기 때문이죠.
생각의 범위를 좀 더 넓혀보죠.
-- 이것은 정말 상상하기조차 어려운 것인데요 --
원자는 믿을 수 없을 만큼 작아요.
정말 상상조차 할 수 없이 작은거죠.
예를들어, 탄소를 생각해보죠.
제 머리카락도 탄소로 되어 있습니다.
사실은 저의 몸 대부분이 탄소로 이루어져 있어요.
실제로 생명이 있는 대부분의 개체들은 탄소로 이루어져 있습니다.
그래서 제 머리카락을 들여다 보면 탄소로 만들어진거죠.
제 머리카락 대부분은 탄소입니다.
여기 제 머리카락을 보시면
-- 제 머리카락은 노란색인데요
검은색과는 아주 잘 대비가 되죠.
제 머리카락이 검게 보이죠?
그러면 화면에서는 잘 보이지 않습니다.
그런데 머리카락을 뽑아 생각해보죠.
몇 개의 탄소 원자크기로 제 머리카락 크기를 만들 수 있을까요?
그러니까.. 제 머리카락의 단면을 보면, 길이가 아니라 단면이요..
머리카락의 폭이라..
그 폭에는 몇개의 탄소 원자가 있을까요?
가늠해볼까요? 아~ 샐이 이미 그건 아주 작다고 말했군요.
그래서 아마도 그 단면에는 수천개의 탄소 원자가 있을겁니다.
어쩌면 만개 혹은 수십만개 일수도 있겠죠.
제가 감히 말씀드리죠. 아닙니다!
그 단면에는 약 백만개의 탄소 원자가 들어갑니다.
평균적으로 사람의 마리카락 단면의 폭은
약 백만개를 이어 놓은 정도랍니다.
물론 그것은 개략적인 숫자입니다.
정확하게 백만개는 아니란거죠.
하지만 탄소 원자가 얼마나 작은지 짐작하게 해주죠.
머리카락을 하나 뽑아보죠.
그리고 어떤 것이든 그 안에 어떤 것을 백만개나
서로 이어 집어 넣는다 생각해보세요.
머리카락의 길이가 아니라 자른 단면의 폭 방향으로요.
머리카락의 폭을 눈으로 확인하기조차 매우 어렵죠.
그런데 그 안에 백만개나 되는
탄소 원자가 있을 수 있다니요.
정말 대단하죠.
우리가 알고 있는 것은
탄소를 이루는 가장 작은 단위가 있다는 것입니다.
모든 원소의 가장 작은 단위
그런데 더욱 대단한 것은
그 작은 기본 단위들이 서로 연관이 되어 있다는 점입니다.
탄소 원자는 그보다 훨씬 더 작은 기본 입자로 이루어져 있습니다.
금 원자도 자신보다 더 훨씬 더 작은 기본 입자로 만들어져 있어요.
원소는 실제로 이러한 기본 입자들이 나열된 것으로
정의됩니다.
만일
그 기본 입자들의 수를 달리하면,
그 원소의 성질이 바뀌게 됩니다.
원소가 반응하는 방식
심지어는 원소 자체도 바꿀 수 있게 됩니다.
좀 더 자세히 알아보도록 하죠.
그 기본 입자들에 대해서 말해 보겠습니다.
여기 양성자(프로톤) 라는 게 있습니다.
사실 양성자가
-- 원자 핵에 있는 양성자의 수가
핵에 대해서는 잠시 후에 다시 말씀드릴겁니다 --
양성자의 수가 원소를 정하게 됩니다.
이것이 원소를 특정하는거죠.
여기 오른쪽의 주기율표를 보시면
원소들은 원자번호의 순서대로 나열되어 있습니다.
그리고 원자번호는
문자 그대로 원소안에 있는 양성자의 수와 같습니다.
그래서 정의를 따르면, 수소는 1개의 양성자를 가지고 있죠.
헬륨은 2개, 탄소는 6개를 가지고 있어요.
양성자 7개를 가진 탄소는 없습니다.
만약 양성자를 7개 가지고 있다면 그것은 질소입니다.
더 이상 탄소가 아닌거죠.
산소는 모두 8개의 양성자를 가지고 있구요.
만일 어떻게든 양성자를 한개 더하게 된다면
그건 더 이상 산소가 아니에요.
그렇게 되면 그것은 이제 불소에요.
즉, 양성자의 수가 원소를 정합니다.
원자번호는, 즉 양성자의 수는
기억하세요 -- 양성자의 수입니다.
양성자의 수는 여기 위쪽에 쓰인 숫자입니다.
주기율표의 각 원자번호는
-- 양성자의 수죠?
양성자의 수와 같습니다.
원자번호와도 일치하죠.
사람들은 그 번호를 여기 위쪽에 쓰는데
그 이유는 이 숫자가 원소의 특성을 정하기 때문입니다.
원자를 이루고 있는 다른 두 물질은
-- 아마 그렇게 부를 수 있을 듯한데요 --
그 두 물질은 전자와 중성자입니다.
여러분들의 머릿속에 그릴 수 있는 모형은
-- 이 모형은 화학을 하면서 계속 보게 될텐데요,
그 모형은 점점 더 추상화되어서
점점 더 개념화하기가 어려워집니다.
하지만 그걸 생각하는 한가지 방법은
원자의 중심에는
양성자와 중성자가 있다는 점입니다.
이것들이 원자의 핵을 이룹니다.
예를들어, 탄소는 6개의 양성자를 가지고 있죠.
그래서 하나, 둘, 셋, 넷, 자섯, 여섯.
탄소의 한 형태인 탄소12 원소는
또한 6개의 중성자를 가지고 있습니다.
탄소에는 또 다른 형태가 있는데
중성자의 갯수가 다른 경우입니다.
그래서 중성자의 수를 바꾸고 전자의 갯수를 바꾸어도
여전히 같은 원소인 탄소입니다.
양성자의 수는 바뀔 수가 없어요.
양성자의 수를 바꾸면 다른 원소를 얻게 되는거죠.
여기 탄소12 원소의 핵을 그려보겠습니다.
하나, 둘, 셋, 넷, 다섯, 여섯.
여기 이것이 탄소12원소의 핵입니다.
경우에 따라서 이렇게 쓰기도 하죠.
어떤 경우에는 실제로
양성자의 수도 함께 쓰기도 합니다.
그 입자를 탄소12 라고 부르는 이유는
-- 제가 중성자는 6개라고 했죠
그 이유는 12가 그 합이기 때문입니다.
이 숫자를 양성자와 중성자의 합으로 볼 수 있습니다.
-- 12라는 수를 이해하는 한가지 방법이죠
이 수와 관련하여 여러분은 나중에 약간의 미묘한 변화를 보게 될 것입니다.
-- 이것은 핵 내부에 존재하는
양성자와 중성자의 합입니다.
이 탄소 입자는 정의에 따라 원자번호 6을 갖습니다.
하지만 이렇게 쓰는 방법도 있죠
그 의미를 되새기도록 하는거죠.
탄소 원자의 중심에는 핵이 자리합니다.
그리고 탄소12 원소는 6개의 양자와 6개의 중성자를 갖습니다.
또 다른 형태의 탄소인 탄소14 원소는
6개의 양자를 가지도 있지만 중성자는 8개를 가집니다.
즉, 중성자의 수는 바뀔 수 있습니다.
그러나 여기 있는 탄소12는
탄소12 원소가 중성...
몇 초 후에 바로 이 단어에 대한 미묘한 차이를 보여드리죠.
만일 탄소가 중성이라면 6개의 전자를 갖고 있을겁니다.
여기 전자 6개를 그려보겠습니다.
하나, 둘, 셋, 넷, 다섯, 여섯
그리고 한가지 생각할 수 있는 방법은 -- 아마 이것이 첫번째 방법이겠는데요.
전자와 핵 사이의 관계에 대하여
생각해 볼 수 있는 첫번째 방법은 --
마음대로 움직이고 있는
전자들을 상상해 볼 수 있습니다.
여기 이 핵 주변을 시끄럽게 돌아다니고 있죠.
한가지 모델은
핵 주변에 궤도를 따라 돌고 있다고 생각해 볼 수 있습니다.
그런데 이것이 꽤 정확한 것은 아닙니다.
말하자면 전자는 태양 주위를 움직이는
행성처럼 정해진 궤도를 따라 움직이지는 않아요.
하지만 이런 이해 방법은 구조를 이해하는데 좋은 시작이 되죠.
또 다른 이해 방법은 전자가 핵 주위를 제멋대로 돌아다니는 모습입니다.
즉, 핵주변에서 소란스럽게 돌아다니는거죠.
그 이유는
이 수준에서 현실은 매우 이상한 현상을 갖기 때문입니다.
실제로 우리는 전자가 무엇을 하고 돌아 다니는지 알려면
양자물리와 씨름해야만 합니다.
이런 방향에서 여러분의 머릿속에 그릴수 있는 첫번째 모델은
바로 이 탄소12 원자의 중앙에
여기 이 핵이 놓여있는 것입니다.
저 쪽에 이 핵이 자리잡고 있죠.
그리고 이 전자들은 핵 주변을 미친듯이 돌아다니고 있어요.
이들 전자가 핵으로 부터
떨어져 나가지 않는 이유는
그러니까, 이 전자들이 핵으로 튕겨져 되돌아 오는 이유는 말이죠,
그 전자들이 이 원자의 일부로 남아 있는 이유는
양성자가 전기적으로 양의 성질을 갖기 때문입니다.
그리고 전자는 음의 성질을 갖거든요.
이것이 이들 기본 입자가 갖는 성질 가운데 하나입니다.
근본적으로 이들과 다른 전기적 성질을 띄는 것이 무엇인지
생각해보면
문제는 훨씬 더 심오해집니다.
하지만 우리가 아는 한 한가지는
전자기력에 대해서 생각해보면,
다른 전하들은 서로를 끌어당기고 있습니다.
그러니까, 가장 쉽게 생각해볼 수 있는 방법은
양성자와 전자는
서로 다른 극성을 갖기 때문에
서로를 끌어 당기고 있죠.
중성자는 중립입니다.
그러니까 중성자는 여기 핵의 내부에 그냥 자리하고 있죠.
중성자는 특정한 원소의 몇몇 원자에 대해서
어떤 수준에서 그 성질에 영향을 줍니다.
그러니까, 전자가 제멋대로 날아가 버리지 않고
그 근방에 남아있는 이유는
이것들이 무엇엔가 이끌리기 때문입니다.
전자는 핵을 향해 끌려가죠.
그 속도는 엄청납니다.
-- 실제로 거의 불가능한건데 --
우리가 또다시 물리학에서
아주 이상한 부분에 대해서 이야기하고 있군요.
전자가 실제로 무엇을 하는지
이야기를 시작하면
-- 글쎄요 --
아마 여러분은
전자가 충분히 제멋대로 돌아다녀서
전자는 절대로 핵으로 빨려들어가지 않을 것이라고 말할 수 있을 것입니다.
아마 이 상황을 설명하는 한가지 방법일 것입니다.
이제까지, 양성자의 수에 의하여 정의되는
여기 이 탄소12 에 대하여 말씀드렸습니다.
산소는 8개의 양성자를 갖는 원소로 볼 수 있습니다.
여기서도 전자는 다른 전자와 상호작용을 하죠.
이 전자들은 다른 원자에 의해 떨어져 나갈 수도 있죠.
실제로 이런 현상에서
우리는 화학의 상당 부분을 이해할 수 있습니다.
화학은 하나의 원자가 혹은 원소가 얼마나 많은 전자를 가질 수 있는지에
기초하고 있습니다.
그리고 그 전자들이 어떻게 작동하는지
그리고 다른 원소의 전자들과 어떻게 작동하는지
혹은 같은 원소의 다른 원자와 어떻게 작용하는가에 달렸습니다.
이제 우리는 한 원소의 원자가 같은 원소의 다른 원자와
혹은 한 원소의 원자와 어떻게 반응하는지
혹은 어떻게 결합할 수 있는지, 결합하지 않는지, 또는 서로 끌어당기는지
혹은 또 다른 원소의 다른 원자를 밀어내는지 등등의
반응 방식을 예측할 수 있습니다.
예를 들어보죠.
나중에 이런 것에 대해서 꽤 많이 배우게 될텐데요.
또다른 원자가 탄소로 부터
전자를 빼앗아 갈 수도 있습니다.
그 이유가 어떻든지 말이죠 --
그리고 우리는 어떤 원소들의 특정한 중성원자에 대해서도 언급할 것입니다.
다른 무엇보다도 전자들 간의 관계에 관심을 가질 것입니다.
그래서, 그런 여러가지 가운데 한 경우는
탄소가 가진 전자를 빼앗아가게 됩니다.
그렇게 되면 탄소는
양성자의 수보다 적은 수의 전자를 갖게 되겠죠.
그러면 그 탄소는 6개의 양성자와 5개의 전자를 갖게 됩니다.
그러면 그 탄소는 전체적으로 양의 전기적 극성을 갖게 될 것입니다.
결국 그 탄소12 의 경우, 전에 언급한 첫번째 형태는
6개의 양성자와 6개의 전자의 전기적 극성이 상쇄되고
전자를 한개 잃은 경우에는 5개의 전자만 남게 되는데
전체적으로는 양의 전기적 극성을 띄게 됩니다.
화학에서는 이러한 현상들에 대하여
더많은 논의를 하게 될 것입니다.
제가 희망하는 바는
여러분들이 이런 현상에 흥미를 갖게되고 그 가치를 느끼게 되는 것입니다.
이미 우리는 원자라는 기본적인 재료를
갖게 되었습니다.
이보다 더 멋진 것은
이러한 기본 재료들이
심지어 더 기본적인 물질들로 이루어져 있다는 점입니다.
이런 것들을 바꿔가면서
원자의 성질을 바꿀 수 있습니다.
아니면 한 원소의 원자로 부터
다른 원소의 원자로 바꿀 수도 있습니다.