원자의 작용은 전자의 작용이다

원자(原子, atom)의 구성

원자는 원자핵과 전자로 구성됩니다. 원자핵은 전자 질량의 2000배나 되는 양성자와 중성자가 핵력으로 결합한 상태입니다. 가벼운 전자는 무거운 원자핵 주변에 구름처럼 분포합니다. 양자역학에서 전자는 공간 좌표의 확률분포 함수로 표현되기 때문에 원자핵 주위 공간에 전자가 존재할 확률을 계산할 수 있습니다.

전자가 존재할 확률이 시간에 따라 변화하여 전자가 원자핵 둘레를 원운동한다고 풀이할 수도 있습니다. 원자핵은 거의 움직이지 않고 전자가 원자 사이로 이동하여 원자들이 결합합니다.

 

원자가 전자(原子價電子, Valence electron)란?

수소원자는 전자가 1개, 탄소는 전자가 6개, 우라늄 원자는 전자가 92개입니다. 탄소 원자의 전자는 원자핵에 안쪽 궤도인 1s 궤도에 존재하는 전자2개가 원자핵과 강하게 결합하기 때문에 다른 원자와 상호작용하지 않습니다.

탄소 원자의 바깥쪽 궤도는 2s 2개, 2p 2개이므로 외각 전자는 4개입니다. 이러한 외각 전자들은 원자핵의 정전기적 구속력이 약해서 다른 원자들과 결합하는 전자인 원자가 전자(原子價電子, Valence electron)가 됩니다. 원자와 원자가 공유결합으로 분자를 형성하는 데 기여하는 전자는 외각의 원자가  전자들입니다. 공유결합의 세기는 전자 분포 함수가 중첩될수록 더 강해집니다.

 

자연현상은 동일한 원자의 다양한 배열 패턴이다

우주에서 가장 많은 원소가 수소이며, 우주의 별도 대부분 수소로 되어있습니다. 수소 원자핵은 중성자가 없고 양성자가 1개뿐 입니다.  지구에서 수소는 산소와 결합하여 물 분자가 되거나 탄소와 결합하여  백만종류 이상의 각양각색의 탄화수소 분자를 만듭니다. 석유와 세포막의 지질은 전부 탄화수소입니다.

수소원자핵인 양성자를 방출할 가능성이 높은 물질을 산성물질이라고 합니다. 신맛이 나는 귤이나 식초는 양성자가 많이 방출되기 때문인데, 양성자 농도에 상용로그를 취함 값을 PH 라고 합니다. PH 값이 낮으면 강산이 됩니다.

우리 몸의 위는 위산을 방출하는데 양성자 농도가 높아서 PH가 약2(1.5~3.5)인 강산입니다. 양성자를 방출하는 물질이 많아지면 주변환경이 산성화됩니다. 해양 산성화, 인체 산성화, 토양 산성화, 모두 양성자 농도가 높아져서 생물이 살기 힘든 환경으로 바뀌는 현상입니다. 이처럼 다양한 현상의 배후에 일관된 하나의 원리가 작동하는 과학은 자연현상을 통합적으로 설명해줍니다.

1개의 양성자는 또 하나의 다른 양성자와 완전히 같습니다. 전자도 마찬가지입니다. 그래서 같은 상태에 있는 2개의 전자는 구별되지 않습니다. 완벽하게 동일한 양성자와 전자가 우주와 자연에서 무한한 다양성이 세계를 만듭니다. 결국 우리가 존재하는 세계는 현상은 다르지만 본질은 모두 같다고 할 수 있습니다. 동일한 원자의 다양한 배열 순환 패턴이 형성될 뿐입니다.

 

꽃과 바위, 그리고 별, 현상은 다르지만 본질은 하나, 원자

원자핵은 양성자와 중성자가 핵력으로 결합한 상태인데, 핵력 또는 원자력은 양성자들이 핵 크기 보다 작은 거리로 닿을 듯이 접근해야만 작동하는 힘입니다. 양성자가 다른 입자로 붕괴되는 평균 시간인 양성자의 수명은 아직 측정 되지 않았지만, 최소한 우주의 나이인 138억년 보다 수명이 훨씬 길거나 거의 무한대일 것으로 추정되고 있습니다. 그래서 양성자와 중성자는 안정된 원자를 만들어서 별, 바위, 꽃을 만듭니다.

 

양성자의 구성요소

양성자의 구성요소는 쿼크(quark)입니다. 쿼크는 3세대가 존재하는데 (u, d) (c, s) (t, d) 로 표현합니다. 1세대 쿼크는 업up 과 다운down이며, 2세대 쿼크는 참charm과 스트레인지strange이고, 3세대 쿼크는 탑top과 바텀bottom입니다. 이것이 소립자의 특성입니다.

2세대와 3세대 쿼크는 입자가속기 속에서 생성되는 즉시 찰나적으로 존재했다가 곧 에너지가 낮은 다른 입자로 붕괴됩니다. 그러나 1세대 쿼크인 업쿼크(u), 다운쿼크(d)는 항상 존재하는 자연물질들을 구성합니다. 그리고 모든 소립자에는 반입자가 존재하므로 물질 구성 쿼크는 반업쿼크 anti up-quark와 반다운 쿼크anti down-quark 를 포함한 4가지 쿼크입니다.

무거운 입자인 중입자는 하드론hadron과 메손meson으로 구분되는데, 하드론은 3개의 쿼크가 결합한 상태입니다. 즉 양성자는 3개의 쿼크(uud)가 강한 상호작용으로 결합한 하드론이고, 중성자는 3개의 쿼크(udd)가 결합한 하드론입니다. 메손은 쿼크와 반쿼크가 결합하여 만들어진 전기중성의 입자입니다. 쿼크를 결합하는 입자를 글루온gluon이라 합니다.

 

양자색역학 (量子色力學, quantum chromodynamics) 이론

글루온은 8개의 색깔로 나뉠 수 있는데 글루온에 의해 쿼크가 결합하는 과정을 양자색역학 이라 합니다. 이 이론으로 강한 상호작용을 설명할 수가 있습니다. 전자와 광자는 그 자체로 더 이상 구성 요소가 없는 소립자이지만 양성자는 쿼크라는 소립자로 구성된 강입자(强粒子) 입니다.

자연물질을 구성하는 현상들을 설명하려면 양성자의 시각에서 바라보는 것이 좋습니다. 예를 들어 맑은 날의 파란 하늘, 따뜻한 봄 날 아른아른 아지랑이가 피어오르는 모습, 잔잔한 호수의 물결은 모두 전자, 양성자, 광자의 다양한 패턴 배열을 통한 상호작용의 결과물이며 집합체입니다.

 

광합성, 광자(光子, photon)의 생성과 소멸 현상이다

진공속에서 광자는 초속 약 30만 킬로미터로 달립니다. 광자는 정지질량이 0인 운동에너지입니다. 진공속에서 정지한 단 1개의 광자자체는 존재하지 않습니다. 광자는 생겼다 사라질 수는 있지만 생겨나는 순간 광속으로 달려갈 뿐입니다. 달릴 수 밖에 없는 이유는 등속 직선운동에 소요되는 에너지가 0 이기 때문입니다. 장애물만 없으면 영원히 달릴 수 있습니다.

광속으로 움직이는 광자가 바로 전자기파인데, 줄여서 전파라고 합니다. 전자기파는 파동이므로 진폭과 진동수로 에너지가 어느정도인지 알 수가 있습니다(광자의 에너지E=hv). 광자는 물질 속에서 달리면 속도가 느려집니다. 반도체와 기체속에서는 증폭되어 레이저가 됩니다. 인간의 망막세포에 흡수되면 전압펄스로 변환되어 신경세포와의 작용을 통해 세상을 볼 수 있게 해줍니다.

빛은 움직이는 에너지 그 자체이고, 멈추는 순간 그 존재는 사라집니다. 광자의 생성과 소멸 현상이 적나라하게 드러나는 무대가 바로 식물 잎 속 엽록소입니다. 빛 입자의 운동에너지가 포도당 분자를 생성하는 과정이 바로 광합성(光合成, photosynthesis)입니다.

초록색 잎을 어루만지는 빛 알갱이의 반짝이는 율동으로 지구에서 생명의 물결이 매 순간 만들어지는 것입니다.

다음 포스팅에서는 '전자의 흐름과 호흡'에 대해 알아보는 시간을 갖겠습니다.