원자 안에는 무엇이 있을까요?

아주 작은 것보다 더 작은 세계

원자는 믿을 수 없을 만큼 작습니다. 원자 수백만 개를 나란히 늘어놓아도 이 문장 끝의 마침표 하나를 겨우 가로지를 정도입니다.

원자(atom)라는 말은 '자를 수 없는'이라는 뜻의 그리스어 atomos에서 왔습니다. 오랫동안 사람들은 원자가 존재할 수 있는 가장 작은 것이라고 생각했습니다. 그러다 1897년부터 과학자들은 원자가 훨씬 더 작은 부분들로 이루어져 있음을 발견했습니다.

원자핵: 양성자와 중성자

모든 원자의 중심에는 원자핵이 있습니다. 원자핵에는 두 종류의 입자가 들어 있는데, 양전하를 띠는 양성자와 전하가 전혀 없는 중성자입니다.

원자핵은 원자 전체에 비하면 아주 작습니다. 원자가 운동장만큼 크다면 원자핵은 그 한가운데 있는 완두콩 크기쯤 됩니다. 그런데도 양성자와 중성자가 전자보다 훨씬 무겁기 때문에, 원자핵이 원자 질량의 99.9% 이상을 차지합니다.

같은 전하끼리는 서로 밀어내므로 원자핵 속 양성자들도 서로 밀어냅니다. 그런데도 아주 짧은 거리에서만 작용하는 매우 강한 힘이 양성자와 중성자를 하나로 붙들어 줍니다.

전자: 바깥쪽에 있습니다

전자는 양성자보다 훨씬 가볍습니다. 양성자 1개의 질량과 맞먹으려면 전자가 약 1,836개 필요합니다. 전자는 각각 음전하를 띱니다.

반대 전하끼리는 끌어당기므로 양전하를 띤 원자핵이 음전하를 띤 전자를 끌어당깁니다. 그 끌어당기는 힘이 전자를 원자핵 가까이에 붙잡아 둡니다.

전자는 전자 껍질이라는 층에 배치됩니다. 첫 번째 껍질에는 최대 2개, 두 번째 껍질에는 최대 8개가 들어갑니다. 그림에서는 흔히 전자를 원 위의 점으로 그리지만, 실제 전자는 행성처럼 깔끔한 길을 따라 움직이지 않습니다. 흐릿한 구름처럼 퍼져 있으며, 각 껍질은 사실 에너지 준위입니다.

전하와 질량 한눈에 보기

양성자의 전하는 +1이고 질량은 약 1 원자 질량 단위(u)입니다. 원자 질량 단위는 원자의 질량을 재기 위해 만든 아주 작은 단위입니다.

중성자는 전하가 없고(0) 질량은 약 1 u로, 양성자와 거의 똑같습니다.

전자의 전하는 −1이고 질량은 약 0.0005 u밖에 되지 않습니다. 너무 작아서 흔히 0으로 취급합니다.

원자가 전체적으로 전하를 띠지 않는 이유

원자에서는 전자의 수가 양성자의 수와 같습니다. 양전하와 음전하가 서로 상쇄되므로 원자는 전체적으로 중성입니다.

탄소 원자가 좋은 예입니다. 양성자 6개와 전자 6개를 가지므로 전하가 균형을 이룹니다. 대부분의 탄소 원자는 중성자도 6개입니다. 전자 6개는 두 껍질에 나뉘어 있는데, 첫 번째 껍질에 2개, 두 번째 껍질에 4개가 있습니다.

일반적인 화학 반응은 원자핵을 절대 바꾸지 않습니다. 원자는 전자를 얻거나 잃거나 공유할 뿐입니다. 전자를 얻거나 잃은 원자는 이온이라는 전하를 띤 입자가 됩니다. 전자 1개를 잃은 나트륨 원자는 Na⁺가 되고, 전자 1개를 얻은 염소 원자는 Cl⁻가 됩니다.