양성자와 중성자가 뭉칠 때 핵이 만들어 지는 과정에 대해 알아보자. 그리고 원자는 어떠한 모습을 가지고 있는지에 대해 알아보도록 하자.
양성자와 중성자가 뭉치면 핵이 만들어진다.
핵은 양성자의 영향으로 전 체적으로 양전하를 띤다. 반대의 전하를 가진 전자가 떨어지지 않고 핵 주변에 존재하는 이유는 서로 다른 전하를 가진 입자끼리 끌어당기는 인력으로 설명된다. 물론 핵은 같은 전하량만큼의 전자를 붙들어놓을 수 있다. 이것이 원자의 기본적 모습이고 이 세 가지가 원자를 구성하는 기본 입자다. 이 세상이 가장 간단한 입자만으로 존재했던 시절이 있었다. 주기율표 의 가장 첫 번째에 있는 수소 원자다. 초기 우주에는 거의 수소만 있었다. 시간이 흐르며 수소 원자들이 중력으로 뭉쳐 별을 만들고 자신을 태워가며 원자들을 결합해 좀 더 무거운 원자를 만들기 시작했다. 핵을 융합하면서 새로운 원자를 만들고 더 큰 에너지를 얻으며 점점 무거운 핵을 만든 것이 다. 무거워진 핵은 전하량이 커지고 그 전하량만큼의 전자를 끌어당겨 곁에 둔다. 다른 원자가 생겨난 것이다. 우리는 서로 다른 원자를 구별하기 위해 원소라는 이름을 붙였다.
원자에서 양성자 수와 전자의 수는 같다.
그래서 원자는 전체적으로 하를 띠지 않은 중성이다. 중성자는 양성자 수와 같지만 실제로 더 많은 경 우가 일반적이다. 특히 무거운 원소에서 이런 현상이 많은데, 바로 중성자의 존재감이 여기에서 두드러진다. 양성자끼리만 모여 핵을 만든다고 하면 좀 이상하지 않은가. 같은 양전하를 가진 양성자 간의 척력으로 핵을 안정하게 유지할 리가 없다. 쉽게 말하면 양성자 사이에서 중성자가 마치 접착 제인 듯 역할을 하는 것이다. 그러니 양성자가 많은 무거운 원소에서는 당 연히 더 많은 중성자가 필요하고 그 수는 일정하지 않다. 결국 같은 원소에 서도 중성자 수량 때문에 질량이 다른 원자가 다양하게 존재하게 된다. 이런 원소를 동위원소 150 tope라고 한다. 동위원소의 존재는 화학을 더욱 다채롭게 만든다.
이제 원자의 모습을 그려볼 수 있다.
여러 문헌에서 원자를 표시한 그림 을 보면 마치 우리가 사는 태양계의 모습과 비슷하다. 마치 행성이 태양 주 변을 공전하는 것처럼 전자가 핵 주위를 특정 궤도에서 도는 것으로 그려져 있다. 이 모형은 원자를 설명하고 이해하는 데에 큰 무리가 없다. 화학에 서 원자의 99퍼센트는 이런 모양으로 설명이 가능하다. 하지만 실제로 원자는 이 모습이 아니다. 핵 주변에 존재하는 전자는 우리가 상상하거나 2차원 평면에 그려낼 수 없는 운동을 하고 있기 때문이다. 우리가 사는 세계를 거 시" 규모의 세계라고 한다. 지구가 돌고 인공위성이 돌고 축구공이 날아다니고 먼지가 날아다니는 커다란 입자의 세계에서 운동은 충분히 상상하 고 예측할 수 있으며 간단한 물리법칙(유명한 뉴턴의 물리방정식인 F=ma이다)으로 설명할 수 있다. 하지만 아주 작은 입자, 그러니까 원자 크기의 세계에서는 우리가 알고 있는 일상적인 역학법칙이 맞지 않는다. 이 크기의 세계에서는 다른 법칙이 적용된다. 이 자연법칙을 수학으로 설명한 것이 바로 양자역학이다. 흔히 양자역학이 어렵다고 한다. 이 말은 맞다. 화학에도 양자화학이 있지만 마찬가지로 어려운 분야다. 농담 삼아 양자역학을 완벽하게 이해하는 사람이 없고 양자역학에 그냥 익숙해져야 한다는 이야기가 있을 정도로 난해하다. 그러나 잘 모른다고 걱정할 필요가 없다. 아이작 뉴턴도 몰랐던 법칙이다. 양자역학에서는 확률이라는 용어로 미시세계를 설명한다. 바로 '불확정성의 원리'이다. 물리학은 무언가 칼처럼 정확하게 맞아떨어져야 하 는데, 화학자가 물 분자를 만들듯 통계적 확률이라는 잣대가 등장한다. 그렇다고 틀렸다거나 모호하다는 것이 아니다. 비록 확률이지만 그 확률을 적 용해 충분히 정확하게 설명할 수 있다. 원자에서 전자의 배치와 원소의 결 합을 이루는 전자의 공유 개념은 화학의 영역이면서도 그 근간은 바로 물리학에서 다루는 양자역학으로 설명된다. 화학에서 양자화학이란 분야가 이 부분을 다루는 것이다. 여기서 양자화학을 다루지는 않을 테지만 전자에 관해서는 간략하게 설명할 것이다. 왜냐하면 화학은 전자의 이야기이기 때문이다.