[원자, 원소, 분자, 전자, 양성자, 원자핵, 중성자 - 작은 세계의 여행기]
원자의 내부가 텅 비어 있다는 걸 아시나요?
원자를 뜻하는 atom은 더 이상 쪼개질 수 없다는 뜻을 가지고 있습니다.
하지만 현대 과학은 이 원자를 더 쪼개어 내부의 정보까지 알아내는 수준에 와 있습니다.
잘 알려져 있다시피 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있습니다.
그런데 현대 과학은 이 원자핵마저 또 쪼개서 그 내부가 양성자와 중성자가 겹합해 있다는 것마저도 알아내고 말았습니다. 결국은 원자가 물리학의 기본 단위가 아니라 결합물이라는 정의를 하게 됩니다.
이제 원자 속으로 여행을 가 봅시다.
지구를 1억분의 1로 줄이면 탁구공 정도의 크기가 됩니다. 이 탁구공을 다시 1억분의 1로 줄이면 드디어 원자의 크기가 됩니다. 원자의 크기라는 것은 원자의 바깥쪽을 돌도 있는 전자의 활동범위를 가지고 말합니다.
그런데 이 원자의 지름의 10만분의 1의 크기가 바로 원자핵의 크기입니다.
전자가 돌고 있는 바깥쪽과 원자핵이 존재하는 곳까지에는 엄청난 여유 공간이 남아 있는 것입니다. 물론 전자구름이 확률적으로 분포하는 것으로 정의하기 때문에 완벽히 빈 공간이라고 말하기에는 어폐가 있으나 꾹꾹 눌러서 이 공간만큼 계속 압축시킨다면 어떻게 될까요?
10만cm 크기의 물체를 원자의 공간이 밀착되도록 꾹꾹 눌러서 압축시킬 수 있다면 1cm의 작은 물체로 만들 수도 있다는 얘기이겠습니다.
이렇게 작은 부분만을 차지하고 있는 양성자와 중성자의 원자핵의 무게는 오히려 원자 질량의 대부분을 차지합니다.
쪼개지고 또 쪼개지는 작은 세계의 여행
중성자의 질량은 양성자의 질량보다 약간 크다고 합니다. 중성자가 발견된 것은 1930년대인데, 핵분열에 의해 중성자를 제어할 수 있다면 중성자는 연쇄반응을 일으켜 막대한 에너지를 만든다는 사실이 밝혀지면서 원자폭탄 개발이 시작되었습니다.
양자역학은 원자크기 단위의 세계를 연구하는 역학입니다. 양자역학은 입자물리학과 역사를 함께합니다.
과거에 분자를 최소 물질로 생각하던 시대에서 원자를 최소 입자로 규정하던 시대를 지나 이제는 양성자, 중성자, 전자까지 쪼개지고 있습니다.
그러나 아직 끝은 아닙니다. 입자물리학과 양자역학의 발달로 인해서 이제는 양성자, 중성자마저 또 쪼개지고 있는 중입니다. 바로 쿼크와 렙톤입니다.
입자가속기 (출처: www.riken.jp)
양성자와 중성자를 통틀어 부르는 단어로 바리온이라는 것이 있습니다. 쿼크는 이 바리온을 이루는 입자입니다.
입자가속기의 출력 증가에 힘입어서 1970년대 이후 계속적으로 쿼크를 찾아내고 있으며 1990년대까지 총 6종의 쿼크가 규명되었습니다.
그런데 신기한 것은 반물질의 존재입니다. 양성자가 +라면 반양성자는 -입니다.
이때 +인 양성자, 중성자, 전자 들을 물질이라고 한다면, 그에 반대되는 반양성자, 반중성자, 양전자는 반물질이라고 할 수 있겠습니다. 물질과 반물질이 접촉하면 막대한 에너지를 발생하며 빛을 내게 된다고 합니다.
이를 이용하면 수소폭탄의 1000배의 위력을 가지는 반물질 폭탄도 만들어 낼 수 있겠지만, 1g의 반물질을 만들기 위해서는 1조의 7만 배의 돈이 들어갈 것으로 추산되기 때문에 당분간은 인간의 영역이 아닌 세계로 존재할 듯합니다.
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