원자(原子)는 화학 반응을 통해 더 쪼갤 수 없는 단위를 말한다. 현대 물리학의 관점에서 볼 때 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있으며, 원자핵은 중성자와 양성자로 구성된다. 또 핵반응을 통해서는 더 작은 단위로 나뉜다. 원자와 혼동하기 쉬운 개념으로 '원소'를 들 수 있는데, 원자가 물질을 구성하는 기본 입자라고 한다면, 원소는 물질을 이루는 성분의 종류라고 하겠다. 한편, 여러 원자의 화학적 결합으로 이루어진 분자는 물질의 성질을 가지는 가장 작은 입자이다.

어원

인도 유럽어에서 쓰이는 atom은 고대 그리스어 a-tomos에서 온 것으로서 더 이상 나뉠 수 없는(a-: 부정, tomos: 쪼갬) 이라는 뜻을 갖고 있다. 이 뜻과는 약간 달리 동양에서 쓰이는 원자(原子)라는 한자어는 물체의 근본이 되는 것이라는 현대 물리학적 해석에 준용하여 atom을 번역한 것이라고 볼 수 있다.

atom이라는 낱말은 언어적으로 고대 그리스어에 뿌리가 있을 뿐만 아니라, 그 추상적 개념은 이미 기원전 5세기에 고대 그리스 철학자 데모크리토스가 쓴 것이다. 이러한 어원대로라면 당대에 알고 있는 가장 작은 기본 단위(현재는 쿼크와 렙톤)가 원자가 되어야 마땅하겠지만, 물리학과 화학에서는 이 항목의 정의에 따른다.

원자의 구조와 모형

원자는 원자핵 주변에 전자가 존재하는 구조를 가지는데, 이 구조에 대해 많은 과학자들이 가설을 세우고 주장하였다.

돌턴의 원자 구조

1803년 영국의 과학자 돌턴에 의해 원자는 더 이상 쪼갤 수 없고, 같은 종류의 원자는 크기와 질량이 같아 다른 원자로 변환, 소멸, 생성되지 않는다는 원자설을 제시하였다. 이때 돌턴이 제시한 원자모형은 딱딱한 공 모양이었다.

톰슨의 원자 구조

1897년 영국의 과학자 조지프 존 톰슨은 양극에서 음극으로 음극선을 쏘면서 진행경로에 장애물을 놓거나 전기장과 자기장을 걸어주는 음극선 실험을 수행하였다. 이 실험결과로부터 음극선은 질량이 있고 직진을 하며 전기적으로 (-)전하를 가지는 입자임을 알아냈고, 이를 전자라 명하였다. 이 실험을 바탕으로 1907년에 톰슨은 양전하를 가지는 물체에 음전하를 가지는 전자가 빵 속의 건포도처럼 박혀있는 원자모형을 제시한다. 전자의 발견은 돌턴의 원자 모형에서 전기적으로 양성을 띤 부분과 전기적으로 음성을 띤 부분을 구별했다는 점에서 의의가 있다.

러더퍼드의 원자구조

1911년 영국의 과학자 러더퍼드는 알파입자를 얇은 금박에 쏘는 알파입자산란실험을 통해 대부분의 알파입자는 금박을 통과하고 일부는 튕겨 나오는 것을 확인하였다. 이 결과를 바탕으로 러더퍼드는 원자의 중심에는 양전하를 띄는 입자가 모여 있고 그 주위를 전자가 공전하고 있는 행성모형을 제안하였다.

닐스 보어의 원자구조

하지만 러더퍼드의 원자모형은 선스펙트럼을 설명할 수 없었다. 이를 보완하기 위해 1913년 덴마크의 과학자 닐스 보어는 전자가 각기 다른 에너지를 가지는 층에 존재한다는 양자개념을 도입하여 가설을 세우고 이에 근거한 보어의 원자모형을 제시했다. 이 과정에서 양자역학이 탄생했다고 볼 수 있다.

현대 물리학의 원자구조

그 후 1926년 오스트리아의 과학자 에르빈 슈뢰딩거가 전자를 파동으로 다루어 전자의 상태를 나타내는 파동함수, 즉 슈뢰딩거 방정식을 발표하여 물질의 이중성을 입증하였다. 하지만 같은 해 10월에 독일의 과학자 보른은 슈뢰딩거 방정식이 전자의 파동함수가 아니라 전자가 존재할 확률함수라고 해석하였다. 이러한 확률적 해석을 바탕으로 원자 주위에서 전자를 발견할 확률을 계산하여 확률의 분포를 점으로 찍어 구름처럼 표시하는 현대의 원자모형이 탄생하였다.

원자의 구성

양성자·중성자·전자의 특성

원자는 양성자의 양전하량과 총 전자의 음전하량이 같기 때문에 전기적으로 중성을 띄며, 원소에 따라 양성자 개수가 각각 다르다. 따라서 양성자의 개수로 원자의 특성을 나타낼 수 있는데, 이를 원자번호(Z)라 한다. 따라서 원자번호(Z)는 곧 양성자수이며, 양성자수와 중성자수를 합친 것을 질량수(A)라고 한다. 양성자수가 같지만 중성자수가 달라 질량수가 다른 원소도 있을 수 있는데, 이런 경우를 동위원소라고 한다.

원자핵

원자핵은 양성자와 중성자가 강한 상호작용으로 결합해 있다. 이들 양성자와 중성자의 개수에 따라 원자를 주기율표로 분류할 수 있으며 화학적인 성질이 결정된다. 이 결합을 바꾸면 아주 강한 힘이 나온다.

전자

전자는 원자핵과 반대인 음의 전하(-1)를 띠며 원자핵 주위에 확률적으로 전자구름을 이루며 존재한다.

공식

양성자는 atom number이고 중성자는 atom mass-atom number이다.

원자론의 과학자와 현대 원자와 관련된 이론

원자 단위의 물리학은 원자 광학과 나노 과학에서 이루어진다. 이들 실험은 원자를 옮기고 운동 속도를 조정하며 이루어진다. 원자보다 더 작은 원자핵의 물리학은 핵물리학과 입자물리학의 주제가 된다.

• 존 돌턴 (John Dalton)
• J. J. 톰슨 (Joseph John Thomson)
• 어니스트 러더퍼드 (Ernest Rutherford)
• 닐스 보어 (Niels Bohr)

읽어 보기

• 스티븐 와인버그, 아원자 입자를 찾아서, 민음사

같이 보기

• 분자