「원자」와 「원소」는 무엇이 다른 걸까...?

 

「원자」와 「원소」는 무엇이 다른 걸까...?

==어른들도 의외로 잘 모르는 「결정적인 차이」==

 

 

138억 년 전, 점보다도 작은 극소의 에너지 덩어리에서 이 우주는 탄생했다. 그로부터 물질, 지구, 생명이 태어나 우리 존재에 이르렀다. 그러나 문득 냉정하게 생각해 보면, 누구도 본 적 없는 <우주의 기원>을 어떻게 해명할 수 있을까 하는 의문이 들지 않겠는가?

이 연재에서는 최전선의 연구자들이 기초부터 최첨단까지 철저하게 해설한 『우주와 물질의 기원』을 통해 우주의 큰 수수께끼를 풀어가는 여정을 안내할 것이다.

*본 기사는 고에너지 가속기 연구기구 소립자 원자핵 연구소 편 『우주와 물질의 기원 「보이지 않는 세계」를 이해하다』(블루백스)에서 발췌·재편집한 것이다.

 

물질의 개성은 <원자>로 결정된다

소립자를 생각하면, 더 이상 원자가 가장 기본적인 존재라고 부를 수는 없겠지만, 그래도 원자는 중요하다. 그 이유는 물질이 원자보다 더 작아지면, 물질로서의 개성을 잃기 때문이다. 원자의 종류에 따라 무게, 다른 원자와의 결합력, 파괴되기 쉬운 정도, 끓는점과 녹는점 등의 성질이 달라진다. 산소가 불에 타는 성질이나 철이 단단한 성질을 결정하는 것도 원자이다. 원자가 지닌 성질에 따라 분자가 만들어지고, 화학 반응이 일어나며, 우리 몸과 주변의 물질이 형성된다.

따라서 원자가 물질의 기본적인 단위라는 것은 틀린 말이 아니다. 우리가 익숙한 성질은 원자라는 단위에서 나타나며, 우리가 접하는 모든 것은 118종류의 원자의 조합으로 이루어져 있다.

118종류의 원자는 성질이 비슷한 몇 개의 그룹으로 나눌 수 있다. 원자를 그룹별로 정리한 것이 <주기율표>이다.

원자를 무게가 작은 것부터 순서대로 살펴보면, 비슷한 성질을 가진 것들이 주기적으로 나타나기 때문에 그렇게 불린다.

 

전자들의 행동은 마치 <어린이 놀이>!?

 

이 주기를 만들어내는 원인이 각각의 원자를 구성하고 있는 전자의 배치이다. 원자 내에서는 원자핵을 중심으로 여러 개의 전자들이 겹겹이 둘러싸여 회전하고 있다. 아이들의 놀이 <카고메 카고메>는 한 겹의 고리를 만드는 것에 불과하지만, 원자 내에서는 전자들이 여러 겹의 고리를 만들어서 마치 <카고메 카고메>를 하는 것과 같다.

가장 바깥쪽 고리(최외각)를 돌고 있는 전자의 수가 원자의 화학적 성질에 큰 영향을 미친다. 가장 바깥쪽 고리를 돌고 있는 전자를 <가전자(價電子)>라고 부르며, 그 수가 같은 원자는 유사한 화학적 성질을 가진다. 주기율표에서는 세로 열에 유사한 원소들이 배열되어 있기 때문에, 세로 그룹에 어떤 원자가 있는지가 중요하다. 주기율표의 세로 열을 <족>이라고 부른다.

주기율표에서 가장 왼쪽 열에 위치한 수소나 나트륨이 속하는 제1족 원소는, 원자가 전자가 하나밖에 없기 때문에 그 전자가 다른 원자로 옮겨가려는 성질을 가진다.

반대로, 오른쪽 열에 위치한 불소나 염소가 속하는 제17족 원소는, 전자가 하나만 더 들어오면 가장 바깥쪽 껍질을 가득 채울 수 있기 때문에, 그 껍질을 어떻게든 채우려고 다른 원자로부터 전자를 끌어들이려고 한다.

이와 같이, 어떤 원자는 전자를 다른 원자로 옮기려 하고, 다른 원자는 전자를 받아들이려 한다. 이러한 원자들이 만나 전자를 주고받으면서 화학 반응이 일어난다. 그래서 주기율표만 봐도 그 원자가 어떤 화학적 성질을 가지는지 알 수 있는 것이다.

 

「원자」와 「원소」는 무엇이 다를까?

 

지금까지 계속 「원자」라는 말을 사용해 왔지만, 주기율표에서는 「원소」라는 말을 사용한다. 사실, 같은 수소나 산소에도 형제와 같은 원자가 있을 수 있다.

사토 씨에게 형제가 있다고 하면, 같은 사토 씨라도 외모나 성격이 조금씩 다르겠지. 형제 관계에 있는 원자는 양자와 전자의 수는 같지만 중성자의 수가 다르다. 전자의 수가 같으면 화학적 성질은 같지만, 중성자의 수가 다르면 물리적 성질이 달라지기 때문에 서로 다른 원자이다. 원자라고 할 때는 그 형제들을 엄격히 구분하지만, 원소라고 할 때는 같은 가족의 일원으로 간주한다.

여기서 다시 한번 복습해 보자. 원자를 더 작게 나누어 소립자까지 분리하면, 원자의 성질은 전혀 관련이 없어진다. 예를 들어, 수소 원자로부터 분리한 것이든 산소 원자로부터 분리한 것이든, 전자는 전자일 뿐이다. 외모도 성질도 변하지 않는 소립자가 되어버린다. 이렇게 되면 우리에게 친숙한 성질은 사라지고, 일상생활에서의 감각과는 멀어지게 된다.

출처= https://news.yahoo.co.jp/articles/a121eb40fb---