원자

정의

일상적 정의

원자^atom란, 물질을 이루는 가장 작은 단위를 말한다.

물리학적 정의

원자란, 화학적으로 분리할 수 없는 물질의 기본 단위를 말한다.

설명

원자는 더 이상 쪼갤 수 없는 물질의 가장 작은 단위를 의미한다. 물리학은 물체의 운동과 자연의 구성 원리를 탐구하는 학문이기 때문에, 물리학자들이 원자에 대해 연구해 온 것은 어찌 보면 당연한 일이라 할 수 있다. 위의 일상적 정의와 물리학적 정의를 비교해 보면, 그 뉘앙스가 다르다는 것을 알 수 있다. 물리학적 정의에서는 "화학적"이라는 표현을 강조하는데, 이는 다른 방법으로는 원자를 쪼갤 수 있음을 암시한다. 실제로 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있으며, 원자핵은 다시 양성자와 중성자로 이루어져 있다. 이처럼 원자보다 작은 입자를 가리켜 아원자 입자^{subatomic particle}라 한다.

다시말해 "더 이상 쪼갤 수 없다"는 말은, 적어도 현대 물리학의 관점에서는 정확한 표현이 아니다. 원자^atom라는 이름 자체는 고대 그리스어의 "더 이상 나눌 수 없는 것"^atomos에서 유래했지만, 오늘날 우리는 원자가 더 작은 입자들로 이루어져 있으며 그중 양성자와 중성자조차 쿼크와 같은 더 근본적인 입자로 이루어진다는 것을 알고 있다. 그럼에도 원자가 여전히 물질의 기본 단위로 다루어지는 이유는, 원자를 쪼개는 순간 그 물질의 화학적 성질을 잃어버리기 때문이다. 즉 원자는 물질의 화학적 성질을 유지하는 가장 작은 단위이다.

원자의 구조

원자는 가운데에 위치한 원자핵^nucleus과, 그 주위를 도는 전자^electron로 이루어져 있다. 원자핵은 다시 양(+)전하를 띠는 양성자^proton와 전하를 띠지 않는 중성자^neutron로 구성된다.

구성 입자	전하	질량 (대략)
양성자	$+e$	$1.673 \times 10^{-27}\ \mathrm{kg}$
중성자	$0$	$1.675 \times 10^{-27}\ \mathrm{kg}$
전자	$-e$	$9.109 \times 10^{-31}\ \mathrm{kg}$

여기서 $e \approx 1.602 \times 10^{-19}\ \mathrm{C}$는 기본 전하량이다. 원자는 보통 양성자의 수와 전자의 수가 같아 전체적으로 전기적 중성을 띤다. 만약 전자를 잃거나 얻어서 전하의 균형이 깨지면 이를 이온^ion이라 한다.

질량으로 보면 양성자와 중성자가 전자보다 약 $1800$배 무거우므로, 원자 질량의 거의 전부는 원자핵에 집중되어 있다. 반면 크기로 보면 정반대인데, 원자의 지름이 약 $10^{-10}\ \mathrm{m}$ 정도인 데 비해 원자핵의 지름은 약 $10^{-14}\ \mathrm{m}$ 정도로 만 배가량 작다. 다시 말해 원자의 질량 대부분은 부피의 극히 일부를 차지하는 원자핵에 몰려 있고, 나머지 공간은 사실상 전자가 차지하는 텅 빈 공간이라 할 수 있다.

전자가 원자핵 주위에 어떻게 분포하는지는 고전적인 궤도 운동으로는 설명할 수 없고, 양자역학에 따라 확률적으로 기술되는 오비탈^orbital의 형태로 나타난다.

원소와 원자의 구분

원소^element와 원자는 종종 혼용되지만, 둘은 구분되는 개념이다.

원소는 원자의 종류를 가리키는 개념이다. 수소, 산소, 탄소처럼 분류된 이름이 곧 원소이다.
원자는 그 원소에 해당하는 실제 입자 하나하나를 가리킨다.

예를 들어 "수소"는 원소이고, "물 분자 속의 수소 원자 두 개"라고 할 때의 각각은 원자이다. 비유하자면 원소는 "호모사피엔스"라는 종(種)에 해당하고, 원자는 개별 인물 한 명 한 명에 해당한다.

어떤 원자가 어떤 원소인지를 결정하는 것은 양성자의 수이며, 이를 원자번호^{atomic number} $Z$라 한다. 양성자가 한 개면 수소, 여섯 개면 탄소인 식이다. 한편 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 원자들도 존재하는데, 이들은 같은 원소이면서 질량만 다른 셈이다. 이러한 원자들을 서로 동위원소^isotope라 한다.