| 원자번호 = 양성자수 = 전자 수 자연에 존재하는 원소 92개 107까지 존재 확인 108이상 119까지는 인공으로 창조 92×3,265,920=300,464,640 - 광속 119×3,265,920=388,644,480 388,644,480÷299,792,458=1.2963784432 1+2+9+6+3+7+8+4+4+3+2=49 1×2×9×6×3×7×8×4×4×3×2=1,741,824 1,741,824÷362,880=4.8 1,741,824÷86,400=20.16 1,741,824÷3,265,920=0.5333333333 1,741,824÷1,658,880=1.05 1,741,824÷324÷2=2,688 1,741,824÷2,400÷2=362.88 92×3,265,920-299,792,458=672,182 92×3,265,920÷299,792,458=1.0022421578 1.0022421578×299,792,458=300,464,639.9980858724 1+00+2+2+4+2+1+5+7+8=32 100×2×2×4×2×1×5×7×8=896,000 896,000÷800÷20=56 896,000÷280=3200 ---------♡--------- 100×2×2×4×2×1×5×7×8= 896000= 1,741,824÷0.324÷6=89,6000 |
299792458, 3265920 , 362880,
3628800= 360×10080(수소원자량) 우주의 75%
Hydrogen水素 표준 원자량 (Ar, standard)[1.00784, 1.00811] 1.008 (보편)
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중력장 모형
19세기 중반에 드미트리 I. 멘델레예프가 이러한 사실을 발견했으며, 1920년대에 주기율에서 원소의 나열순서는 각 원소의 원자번호에 의한 것이라는 사실이 밝혀졌는데 이 원자번호는 원자핵의 양전하를 전자단위로 나타낸 정수값이다.
그 후에 원자나 분자의 전자구조로 주기율을 설명하려는 여러 노력으로 인해 주기율의 가치는 더욱 커졌으며, 이 법칙이 단지 그당시에 알려진 원소들 사이의 관계만을 나타내던 때인 20세기 초보다 오늘날 더 많이 쓰이고 있다.
원소의 분류
몇 년 후인 1864년에 J. A. R. 뉴런즈는 원자량이 증가하는 순서대로 원소를 분류하는 체계를 제안했다.
그는 각 원소에 차례대로 서수를 붙이고 그당시 알려져 있던 처음의 7가지 원소(수소·리튬·베릴륨·붕소·탄소·질소·산소)와 성질이 비슷한 것을 기준으로 각 원소를 7개의 족으로 나누었다. 이런 관계는 음계의 7단계와 유사하기 때문에 옥타브 법칙이라고 했다. 이후 원소의 성질과 원자량 사이의 상관관계에 대한 광범위한 연구결과를 토대로 원자가(원소가 형성할 수 있는 단일결합의 수)에 대해 각별한 주의를 기울여 1869년 드미트리 멘델레예프가 "원자량 순으로 나열된 원소들은 그 성질이 주기적으로 변한다"는 주기율을 제안했다.
마이어도 독자적으로 유사한 결론에 도달했지만 그의 논문은 멘델레예프의 논문 이후에 발표되었다.
최초의 주기율표
1869년에 발표된 멘델레예프의 주기율표는 17열로 이루어져 있었다.
칼륨부터 브롬, 루비듐에서 요오드까지의 두 주기는 거의 채워져 있었으며(그림2는 비활성 기체로 주기를 나눈 주기율표이며, 그림3은 장주기형 주기율표임), 그 앞에는 각각 7개의 원소(리튬에서 플루오르, 나트륨에서 염소)에 의해 부분적으로 채워진 두 주기가 있고 그 뒤에는 미완성인 세 주기가 있었다. 1871년에 멘델레예프는 17족 주기율표의 개정판을 발표했는데 주된 변화는 17개 원소의 위치를 바로잡은 것이었다.
또한 로타르 마이어와 멘델레예프는 8열로 이루어진 주기율표도 제안했는데 이는 각 장주기를 7개의 원소로 된 주기로 분리시키고, 8번째 족에는 중간의 세 원소(예를 들어 철·코발트·니켈로 멘델레예프는 구리를 Ⅰ족에 놓지 않고 여기에 포함시켰음)를 놓고 다시 7개의 원소로 된 2번째 주기를 나열한 것이었다. 7개의 원소로 이루어진 이 두 주기는 나중에 족의 기호인 로마 숫자 뒤에 'a'와 'b'를 붙여 구별했다. 1894, 1895년에 레일리와 윌리엄 램지가 비활성 기체인 헬륨·네온·아르곤·크립톤·크세논·라돈을 발견하면서 멘델레예프와 여러 사람들은 이들을 주기율표에 추가시키기 위해 새로운 0족을 제안했다.
0, Ⅰ, Ⅱ,……,Ⅷ족으로 된 단주기형 주기율표(그림1)가 일반화되었으며 1930년경까지 널리 쓰였다. T. 베일리의 초기 모형(1882)을 바탕으로 1895년에 J. 톰슨은 새로운 주기율표를 고안했다. 이것은 1922년에 닐스 보어에 의해 원자의 전자구조를 사용해서 설명되었다. 이 주기율표(그림2)는 비활성 기체를 기준으로 주기가 점차 길어지는 형태를 띠고 있다. 즉 이 표는 2개의 원소로 된 주기를 시작으로 8개의 원소로 된 두 주기가 있고 그 뒤에는 18개의 원소로 된 두 주기, 32개의 원소로 된 주기가 하나 있으며 마지막으로 미완성의 주기가 있다.
각 주기의 원소는 다음 주기에 있는 하나 또는 그 이상의 원소와 연결선으로 이어져 있다. 이 주기율표의 최대 단점은 32개의 원소로 된 주기를 나타내야 하기 때문에 공간이 많이 필요하다는 것과 특성이 유사한 원소들을 찾아보기 어렵다는 것이다. 이런 단점들을 잘 절충한 것은 그림3에서처럼 14개의 란탄족 원소와 14개의 악티늄족 원소를 생략하여 32개의 원소로 된 주기를 18열로 줄이고 이들은 주기율표 아래쪽에 따로 2행을 만들어 나열한 것이다(희토류금속).
다른 형태의 주기율표가 때때로 제안되었다.
이들 중 초기의 것으로 1905년 A. 베르너가 고안한 것은 단주기를 두 부분으로 나누어 이들이 장주기에서 그들과 특성이 가장 유사한 원소들 위에 오도록 양끝 쪽으로 배열했다는 점이 주목할 만하다. 이 때문에 베일리의 주기율표에서 볼 수 있는 주기를 잇는 다중연결선은 생략되었다. 또한 이 형태의 주기율표에서는 란탄족 원소와 악티늄족 원소를 별도의 표로 옮겨서 크게 단순화했다. 20세기 중반 이후에는 이런 형태의 주기율표(그림4)가 가장 널리 쓰이게 되었다.
새로운 원소의 발견
1871년에 멘델레예프가 17개의 원소를 그들의 원자량으로부터 알 수 있는 위치에서 새로운 위치로 이동함으로써 이들의 특성이 다른 원소들의 특성과 상관관계를 가질 수 있다는 사실을 밝히는 데 성공하면서 주기율의 가치가 더욱 커졌다.
이러한 변화에 의해 그 이전에 받아들여지던 원자량 중에서 몇몇은 작은 오차가 생겼고 또다른 몇몇은 오차가 크다는 것을 알게 되었다. 그 이유는 원자량으로 사용한 결합량(일정한 무게의 표준물질과 결합하는 원소의 무게)의 배수가 잘못되었기 때문이었다. 또한 멘델레예프는 그때까지 발견되지 않았던 원소인 에카붕소·에카알루미늄·에카규소 등의 존재와 그들의 여러 가지 성질을 예측했다.
이들은 각각 스칸듐·갈륨·게르마늄으로 확인되었다. 이와 유사하게 헬륨과 아르곤을 발견한 후에 주기율에 의해 네온·크립톤·크세논·라돈의 존재도 예측할 수 있었다. 또한 보어는 주기율표에 빠져 있는 원소인 원소 72가 주기율표상에서의 위치로 볼 때 희토류 원소보다는 지르코늄과 그 성질이 유사할 것이라고 지적했는데 이로부터 1922년 G. 드 헤베시와 D. 코스터가 지르코늄 광석을 조사하여 미지의 원소를 발견하고 이를 하프늄이라 이름붙였다.
원자량을 다시 결정하여 주기율표를 수정했지만 1871년에 멘델레예프와 로타르 마이어의 주기율표에서 몇몇 원소들은 그 특성으로 볼 때 원자량의 순서와는 다른 위치에 놓여야 할 필요성이 생겼다. 따라서 아르곤과 칼륨, 코발트와 니켈, 텔루르와 요오드 쌍에서 앞쪽의 원소의 원자량은 더 크지만 주기율표상에서 뒤쪽의 원소보다 앞에 놓이게 되었다. 이러한 어려움에 대한 궁극적인 해답은 원자의 구조가 더 잘 이해되고 난 다음에야 얻을 수 있었다.
1910년경에 무거운 원자의 핵에 의한 알파(α) 입자의 산란에 관한 러더퍼드의 실험으로 원자핵의 전하를 알 수 있게 되었다.
전자의 전하에 대한 원자핵 전하의 비는 원자량의 반 정도임이 밝혀졌다. 1911년에 A. 반 덴 브룩은 이 양이 주기율표에서의 원소의 원자번호와 같다고 주장했으며, 이후 뉴런즈로부터 주기율표상에서의 위치에 따라 원소에 번호를 붙이는 것이 관례로 되었다. 1913년에 H. G. J. 모즐리가 여러 원소들의 특징적인 X선 스펙트럼선의 파장을 측정하여 그 파장이 주기율표상에서의 원소의 일련번호와 같은 원자번호에 규칙적으로 의존함을 보임으로써 이 주장은 훌륭히 입증되었다.
이제는 주기율표에서 원소의 위치에 관한 어떠한 불확실성도 더이상 존재하지 않게 되었다. 원자번호 1~107의 모든 원소가 현재 알려져 있으며 108번 이상의 새로운 원소들도 핵반응을 통해 합성될 것이다. 원소의 정확한 원자량이 그 원소의 주기율표상의 위치에 그리 중요하지 않은 것은 각 원소의 동위원소(원자번호는 같으나 원자량이 다른 원자들)가 존재하기 때문이다.
한 원소의 동위원소들의 화학적 성질은 본질적으로 같기 때문에 원자량이 다르긴 하지만 주기율표에서 같은 위치를 차지한다.
주기율의 설명
주기계에 대한 세부적인 이해는 1913년에 보어의 연구로부터 시작된 스펙트럼 및 원자의 전자구조에 대한 양자이론과 함께 발달되었다.
중요한 발전 단계를 보면 1916년 W. 윌슨과 A. 좀머펠드에 의한 고전적인 양자이론의 일반적 법칙의 공식화, 1925년 W. 파울리에 의한 배타 원리의 발견, G.E. 울렌벡과 S. 호우트스미트에 의한 전자 스핀의 발견, 같은 해 W. 하이젠베르크와 E. 슈뢰딩거에 의한 양자역학의 전개 등이다.
1916년에 G. N. 루이스의 공유 전자쌍에 관한 가정으로부터 시작된 원자가 전자이론과 분자구조 이론의 발달도 주기율을 설명하는 데 매우 중요한 역할을 했다.
주기율표 주기
그림3과 그림4의 2가지 형태로 나와 있는 장주기 형태의 주기율표는 이때까지 발견되거나 만들어진 모든 원소를 포함하고 있다. 이들은 수평으로 나열된 7개의 주기에 원자번호 순으로 나열되어 있으며 란탄족 원소와 악티늄족 원소는 아래쪽에 따로 배열되어 있다.
앞으로 별다른 언급이 없으면 그림3이 기준이 된다.
각 주기는 길이가 서로 다르다. 제일 처음에 원자번호가 1인 수소와 2인 헬륨으로 이루어진 수소주기가 있다.
그 밑에는 각기 8개의 원소로 된 주기가 2개 있는데 이들은 리튬(원자번호 3)에서 네온(원자번호 10)까지의 첫번째 단주기와 나트륨(원자번호 11)에서 아르곤(원자번호 18)까지의 2번째 단주기이다.
그 밑에는 각기 18개의 원소로 된 2개의 주기가 있다. 이들은 칼륨(원자번호 19)에서 크립톤(원자번호 36)까지의 첫번째 장주기 및 루비듐(원자번호 37)에서부터 크세논(원자번호 54)까지의 2번째 장주기이다.
세슘(원자번호 55)에서부터 라돈(원자번호 86)까지의 32개의 원소로 된 매우 긴 장주기는 란탄족 원소를 아래쪽에 따로 나타내어 18열로 압축시켰다.
첫번째 및 2번째 장주기에서 대응되는 원소들과 그 성질이 매우 유사한 이들 18개의 원소들은 대응되는 원소들의 바로 아래쪽에 놓인다. 마지막 주기는 미완성이다.
이 주기의 원소들의 특성을 볼 때 이 마지막 주기는 32개의 원소로 된 2번째로 긴 장주기로 118번 원소에서 끝나게 됨을 알 수 있다.
주기율표 족
헬륨·네온·아르곤·크립톤·크세논·라돈 등 6개의 비활성 기체는 완성된 6주기의 제일 끝쪽에 있으며 0족을 이룬다(주기율표에서 원소의 수평적 배열을 주기, 수직적 배열을 족이라 하는 것이 관례임).
리튬에서 플루오르까지의 7개의 원소와 이에 대응하는 나트륨에서 염소까지의 7개의 원소는 그림3에서 볼 수 있듯이 각기 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ, Ⅵ, Ⅶ의 7족에 놓여 있다.
칼륨(원자번호 19)에서 브롬(원자번호 35)까지 4주기의 17개 원소는 그 성질이 각기 달라 17개의 아족을 이루는 것으로 보는 것이 타당하다. 하지만 주로 역사적인 이유로(그림1에서 볼 수 있는 단주기 형태의 주기율표 사용 때문에) 철·코발트·니켈의 세 원소 및 아래쪽 주기들에서 이들에 해당되는 원소들을 하나의 족인 Ⅷ족에 놓고 이 17개의 원소를 15개의 아족으로 나누는 것이 관례이다. 칼륨(원자번호 19)에서 망간(원자번호 25)까지의 원소들은 각기 Ⅰa, Ⅱa, Ⅲa, Ⅳa, Ⅴa, Ⅵa, Ⅶa의 아족으로, 구리(원자번호 29)부터 브롬(원자번호 35)까지는 Ⅰb,Ⅱb, Ⅲb, Ⅳb, Ⅴb, Ⅵb, Ⅶb의 아족으로 배정된다(현대의 몇몇 주기율표에서는 Ⅲ족 및 그 이상의 족에서 a, b 아족의 원소들이 여기서 보는 것과는 반대로 나열되어 있으며, 주기율표의 표준 형태는 없음).
이에 의해 첫번째 족인 알칼리 금속에는 리튬과 나트륨 외에 칼륨에서부터 주기율표 아래에 있는 프랑슘까지의 금속이 포함되며, 유사성이 훨씬 적은 구리를 비롯한 Ⅰb 아족의 금속들은 포함되지 않는다. 또한 2번째 족인 알칼리 토금속에는 베릴륨·마그네슘·칼슘·스트론튬·바륨·라듐이 포함되며 Ⅱb 아족의 원소는 역시 포함되지 않는다. 원소의 성질을 고려해볼 때 붕소족이 Ⅲa 아족과 Ⅲb 아족 중 어느 것을 포함하는 것이 더 나은지 알 수는 없지만 보통 Ⅲa 아족을 포함한다. 나머지 4개의 족은 탄소·규소·게르마늄·주석·납으로 구성된 탄소족(Ⅳ족), 질소·인·비소·안티몬·비스무트로 이루어진 질소족(Ⅴ족), 산소·황·셀렌·텔루르·폴로늄으로 되어 있는 산소족(Ⅵ족), 플루오르·염소·브롬·요오드·아스타틴을 포함하는 할로겐족(Ⅶ족)이다. 몇몇 주기율표에서 수소가 Ⅰ족에 포함되어 있긴 하지만 수소는 화학적 성질로 볼 때 알칼리 금속과도, 할로겐과도 유사하지 않다. 하지만 플루오르화수소(HF) 같은 화합물에서는 수소의 산화수가 ＋1이 되고 수소화리튬(LiH) 같은 화합물에서는 －1이 된다. 따라서 플루오르화리튬(LiF)에서 수소가 Li의 위치를 대신할 때는 Ⅰa족의 원소와 유사하게 취급되고 F의 위치를 대신할 때는 Ⅶ족 원소와 유사하게 취급된다. 실제 수소가 모든 원소들 중에서 개성이 가장 강하며 나트륨이 리튬을 닮고, 염소가 플루오르를 닮고, 네온이 헬륨을 닮은 것처럼 수소를 닮은 원소는 없다. 수소는 독특한 원소이며 어떤 족에도 쉽게 포함시킬 수 없는 유일한 원소이다.
각 장주기 내의 많은 원소들이 전이금속에 속한다. 이들은 보통 스칸듐(원자번호 21)에서부터 아연(원자번호 30)까지의 철족 전이금속, 이트륨(원자번호 39)에서부터 카드뮴(원자번호 48)까지의 팔라듐족 전이금속, 하프늄(원자번호 72)에서부터 수은(원자번호 80)까지의 백금족 전이금속으로 나누어진다. 이 정의에 따르면 전이금속은 장주기율표(그림3)에서 Ⅲa족에서 Ⅶa족까지와 Ⅷ족, Ⅰb족, Ⅱb족을 포함한다. 원자번호 순으로 배열된 원소들의 주기적 특성은 단체의 물리적 상태와 녹는점·밀도·경도와 같은 서로 상관되는 성질들을 살펴보면 확실히 알 수 있다. 0족 원소들은 응축이 잘 되지 않는 기체이다. Ⅰ족의 알칼리 금속들은 연한 금속성 고체로 녹는점이 낮다. Ⅱ족의 알칼리 토금속들은 인접한 알칼리 금속들보다 더 단단하고 녹는점이 더 높다. 경도와 녹는점은 Ⅲ족과 Ⅳ족으로 갈수록 계속 높아지며 Ⅴ, Ⅵ, Ⅶ족으로 갈수록 낮아진다. 장주기의 원소들은 알칼리 금속에서부터 주기의 가운데까지 경도와 녹는점이 점차 높아지고 Ⅵb족부터 할로겐과 비활성 기체에 이를 때까지 불규칙적으로 낮아진다. 원소의 원자가(표준 원소가 이루는 결합의 수)는 주기율표에서의 원소의 위치와 밀접한 관련이 있다. 즉 주족 원소의 최대의 양의 원자가(산화수)는 족의 번호와 같으며 최대의 음의 원자가는 8과 족 번호의 차이가 된다.
금속·준금속·비금속 등으로 설명되는 일반적인 화학적 성질은 매우 단순한 형태로 주기율표와 관련이 있다. 즉 주기율표에서 왼쪽과 아래쪽으로 갈수록 금속성이 강해지며 비활성 기체를 제외하면 오른쪽과 위쪽으로 갈수록 비금속성이 강해진다. 준금속들은 붕소와 폴로늄을 잇는 대각선 부근에 분포되어 있다. 밀접하게 연관되어 있는 성질은 원자가 그들의 전자를 유지하고 다른 원소의 전자를 끌어당기는 경향을 나타내는 전기음성도이다. 원소의 전기음성도는 이온화퍼텐셜, 전자친화도, 산화-환원 전위, 화학결합 형성 에너지를 비롯한 여러 성질로부터 알 수 있다. 전기음성도는 주기율표상에서 비금속성과 같은 식으로 원소의 위치에 따라 다르다고 알려져 있으며 따라서 플루오르가 전기음성도가 가장 큰 원소이고 세슘(또는 프랑슘)이 전기음성도가 가장 작은(즉 전기양성도가 가장 큰) 원소이다.
원소의 원자 크기는 주기율표를 따라 규칙적으로 변한다.
결정 형태나 분자 형태로 된 단체에서의 유효 결합 반지름(인접한 원자 사이의 거리의 반)은 첫번째 단주기에서는 리튬의 1.52Å(옹스트롬)부터 플루오르의 0.73Å까지 차츰 감소하고 2번째 주기가 시작되는 나트륨에서는 1.86Å으로 갑자기 증가한 후 0.99Å의 염소까지 점차 감소한다. 장주기에서는 이 경향이 더욱 복잡한데 결합 반지름이 칼륨(2.31Å)에서부터 차츰 감소하여 코발트와 니켈에 이르러 1.25Å으로 극소값을 나타낸 후 약간 커지다가 결국 브롬에서는 1.14Å으로 떨어진다. 원자의 크기는 배위수(화합물에서 중심 원자에 붙어 있는 원자단의 수)를 결정하는 데 중요한 역할을 하며 따라서 화합물의 조성에도 중요하다. 주기율표의 오른쪽 위에서 왼쪽 아래로 가면서 원자의 크기가 증가하는 사실은 가장 높은 산화수를 가진 그 원소의 산소산의 화학식으로부터 잘 알 수 있다. 제일 크기가 작은 원자들은 3개의 산소원자로 배위되어 있고 그 다음으로 큰 원자들은 4개의 산소원자에 의해 사면체로 배위되어 있으며 이들은 주기율표상에서 대각선 띠를 이루고 있다. 이 띠의 왼쪽 아래에는 더 큰 원자들이 있으며 이들은 팔면체의 산소화합물(주석산·안티몬산·텔루르산·파라과요오드산)을 이룬다. 원소의 화학적·물리적 성질만이 핵외 전자구조에 의해 결정되며 이들 성질은 주기율에 의해 서술된 주기성을 나타낸다. 질량편차율, 원자핵 반응에 참여하는 능력 등 원자핵 자체의 특성은 원자번호에 달려 있으나 같은 주기성을 갖지는 않는다(→ 분자).
원소의 성질
기호로 나타내는 원소와 분자
원자는 산소(O), 수소(H)와 같은 원소들이 성질을 잃지 않으면서 물질을 이루는 가장 작은 입자를 말한다. 그리고 이들 원자가 모여 구성된 분자는 물과 공기 등 물질의 성질을 가진 최소 단위이다.
※ 원소, 원자, 분자의 구분
① 원소: 물질의 기본 성분
② 원자: 물질을 구성하는 기본 입자
③ 분자: 물질의 성질을 가지는 가장 작은 입자
예) 물은 물 분자로 이루어진다. 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어지므로 물을 이루는 원자의 종류는 수소와 산소 2가지이다.
2) 분자식
분자를 이루는 원자의 종류와 개수를 원소 기호와 숫자로 나타낸 식이다.
※ 분자식은 화학식의 하나이다.
① 분자식의 표현 방법
물 분자 3개
● 분자를 이루는 원자의 종류를 원소 기호로 쓴다.
● 분자 1개를 이루는 원자의 수를 원소 기호의 오른쪽 아래에 작은 숫자로 표시한다. (단, 1은 생략)
● 분자의 수는 분자식 앞에 숫자로 표시한다.
② 분자식 해석의 예
분자의 종류, 분자의 총 개수, 분자를 이루는 원자의 종류, 분자 1개를 이루는 원자의 개수, 원자의 총 개수를 알 수 있다.
3) 분자 모형
분자를 구성하는 원자의 종류와 수, 배열 상태를 나타낸 모형
이 세상의 모든 물질은 아주 작은 알갱이(입자)로 이뤄져 있다. 물은 물론 공기조차 아주 작게 쪼개면 원자라는 알갱이에 이르게 된다. 즉, 원자는 산소(O), 수소(H)와 같은 원소들이 성질을 잃지 않으면서 물질을 이루는 가장 작은 입자를 말한다. 그리고 이들 원자가 모여 구성된 분자는 물과 공기 등 물질의 성질을 가진 최소 단위이다.
재미있는 사실은 지금까지 과학자들이 찾아낸 원자는 100여 종밖에 되지 않는다는 것이다. 세상에 수많은 물질이 있는데, 원자의 수가 그렇게 적을 수 있냐고? 답은 '그렇다'이다. 예컨대 과학 시간에 물은 수소와 산소로 이뤄졌다고 배웠을 것이다. 그런데 흔히 상처가 났을 때 소독을 위해 뿌리는 과산화수소수 역시 산소와 수소로 만들어졌다. 0부터 9까지의 숫자를 이용하면 수많은 다른 수가 탄생하는 것과 마찬가지이다.
△원자는 얼마나 작을까?
물질을 쪼개고 쪼개면 얼마나 작아질까? 가장 작은 알갱이인 원자는 돋보기나 일반 현미경으로도 볼 수 없을 만큼 크기가 작다. 우리 몸을 이루는 세포를 눈으로 볼 수 없는 것처럼. 그래서 한동안 과학자들은 원자의 모양을 제각각 상상해 만들어 냈다. 그러다 20세기 들어서면서 많은 과학자의 노력으로 눈에 보이지 않는 원자의 존재가 비로소 확인됐다.
원자는 종류에 따라 크기가 다른데, 수소의 경우 반지름이 약 0.3X10의 -8 제곱(숫자로 표시해 주세요)㎝. 1억 개의 수소 원자를 한 줄로 배열해야 겨우 1㎝가 될 만큼 작다. 또 원자의 크기를 1억 배로 늘려야 겨우 탁구공만 해진다.
△원자도 쪼갤 수 있다?
과학에 흥미가 있는 어린이라면 '원자는 더 이상 쪼갤 수 없다'는 말을 들어 봤을 터다. 실제로 19세기까지도 원자는 더 이상 나눌 수 없는 가장 작은 단위로 알려졌다. 그래서 원자의 영어 이름인 '아톰'(Atom)은 그리스 어로 '나눌 수 없는'이라는 뜻의 '아토모스'(atomus)에서 유래했다.
그러나 과학의 발달로 아주 작은 원자도 쪼갤 수 있다는 것이 확인되었고, 이를 통해 원자는 또 어떤 알갱이로 구성되었는지도 알게 되었다.
결론부터 말하자면, 원자의 한가운데에는 양성자와 중성자로 이뤄진 단단한 알갱이인 원자핵이 위치한다. 그리고 이 원자핵 주위에는 전자들이 돈다. 이와 관련해 태양을 중심으로 지구가 공전하는 것처럼 그려진 원자 구조의 그림을 본 적이 있을 것이다.
△원자핵이 무게의 대부분 차지
양성자와 중성자로 이뤄진 원자핵의 크기는 원자의 1만 분의 1 정도밖에 되지 않는다. 또 원자의 한가운데 중심을 잡고 있기 때문에 태양처럼 움직이지 않는다. 그런데 이처럼 작은 원자핵은 원자의 무게 대부분을 차지한다.
이처럼 크기에 비해 무게가 많이 나가는 특징을 통해 과학자들은 원자핵이 많은 에너지를 품고 있음을 알았다. 아울러 원자핵을 둘러싼 원자 안은 거의 빈 상태와 같다는 것도 밝혀냈다.
물론 원자핵의 주위를 도는 전자 수도 원자의 무게에 영향을 준다. 전자 수가 많을수록 원자는 무거워지는 것이다.
수소나 헬륨의 경우 무게가 아주 가볍다. 풍선에 수소나 헬륨 가스를 넣으면 하늘로 둥둥 떠다니는 것을 보면 잘 알 수 있다. 반면에 우라늄은 아주 무겁다. 원자핵과 마찬가지로 같은 크기의 물질 중 무게가 더 많이 나가는 쪽이 더 많은 에너지를 품게 마련이다. 이것이 바로 원자력 발전에 우라늄을 사용하는 이유 중 하나다.