인터뷰365 하정열 칼럼니스트 = 우주를 연구하다 보면 직경이 970억 광년에 이른다는 우주의 크기에 놀라기도 하지만 역설적이게도 그 바탕에는 아주 작은 원자들이 근간을 이루고 있다는 사실에는 실소를 금치 못한다. 우주를 연구하는 우리를 더 헷갈리게 하는 것은 원자와 아원자 및 원소의 개념이기에 이를 보다 깊이 있게 알아볼 필요가 있다.

세상의 물질들이 작은 입자들로 이루어져 있다는 사상은 그리스와 인도에서부터 발아되었다. 원자(atom)이라는 낱말은 언어적으로 고대 그리스어에 뿌리를 두고 있으며, 이미 기원전 5세기에 고대 그리스 철학자 데모크리토스가 쓴 것이다.

원자란 화학 원소의 특성을 잃지 않는 범위에서 도달할 수 있는 물질의 기본적인 최소 입자이다. 즉 일상적인 물질을 이루는 가장 작은 단위이다. 모든 고체, 액체, 기체, 플라스마가 전부 원자로 이루어져 있다. 즉 순물질의 구성 입자를 원자라고 부른다. 원자는 양성자와 중성자로 이뤄진 원자핵, 그리고 주위를 도는 전자로 구성되어 있다.

영국의 과학자 조지프 존 톰슨은 1897년 음극선이 전자기파의 일종이 아닌, 수소보다 1,800배나 가벼운 입자로 이루어진 빔이라는 사실을 발견했다. 이는 즉 원자보다 가벼운 입자가 존재함을 시사했다. 이렇게 처음으로 발견된 입자는 아원자 입자로서 전자로 명명되었다. 톰슨은 전자가 방사성 물질에서 방출된다는 사실을 밝혔고, 이후 광전 효과에서 튀어나오는 입자도 전자임을 확인했다. 그 후 금속 내부에서 흐르는 전류의 원인이 전자라는 사실도 곧 밝혀졌다. 원자로 이루어진 음극판에서 음극선이 방출되므로, 원자가 쪼개질 수 있다는 사실이 분명하게 드러난 것이다. 이를 바탕으로 1907년에 톰슨은 양전하를 가지는 물체에 음전하를 가지는 전자가 빵 속의 건포도처럼 박혀있는 원자모형을 제시했다.

1913년 덴마크의 과학자 닐스 보어는 전자가 각기 다른 에너지를 가지는 층에 존재한다는 양자화된 궤도 개념을 도입하여 가설을 세우고, 이에 근거한 원자모형을 제시했다. 이 모형에서 전자는 광자를 흡수 또는 방출하면서 각 궤도 사이를 오갈 수 있다. 이처럼 양자화된 궤도 개념을 통해 전자궤도의 안정성과 불연속적인 흡수 방출 스펙트럼을 설명할 수 있었다.

베르너 하이젠베르크는 한발 더 나아가 원자를 파동으로 해석함으로써 위치와 운동량을 동시에 정밀하게 측정하는 것이 불가능하다는 불확정성 원리를 주장하였다. 이처럼 원자를 파동으로 해석함으로써 기존의 보어 모형으로서는 설명될 수 없었던 원소들의 선 스펙트럼을 슈뢰딩거 방정식 개념으로 설명할 수 있었다.

하지만 같은 해 10월에 독일의 과학자 막스 보른은 슈뢰딩거 방정식이 전자의 파동함수가 아니라 전자가 존재할 확률 함수라고 해석하였다. 이러한 확률적 해석을 바탕으로 원자 주위에서 전자를 발견할 확률을 계산하여 확률의 분포를 점으로 찍어 구름처럼 표시하는 현대의 원자모형이 탄생하였다.

1950년대에 고성능의 입자 가속기와 입자 검출기가 만들어짐에 따라 과학자들은 고에너지 상태에서 원자의 행동을 연구하기 시작했다. 이후 연구 결과가 이어지며 중성자와 양성자가 강입자에 속하며, 쿼크라는 더 작은 입자들로 구성된다는 사실이 밝혀졌다. 아원자 입자들로 구성된 원자핵의 성질, 아원자 입자들의 상호작용 등을 설명하기 위해 표준 모형도 만들어졌다.

원자와 혼동하기 쉬운 개념으로 원소(element)를 들 수 있는데, 원자가 물질을 구성하는 기본 입자라고 한다면, 원소는 물질을 이루는 성분의 종류라 하겠다. 일상적인 물질들이 원소로 구성되어 있으므로 이는 화학 반응을 통해 더 쪼갤 수 없는 단위라고 할 수 있다.

즉 원소는 화학적 방법으로 더 간단한 순물질로 분리할 수 없는 물질이다. 원소는 모든 물질을 구성하는 기본 요소로, 원자핵 내의 양성자 수와 원자번호가 같다. 중성원자의 양성자의 수와 전자의 수는 같다.

원자번호로 구분이 가능한 원자의 종류가 원소의 개수가 된다. 2026년까지 공식적으로 확인된 원소의 개수는 118개이다.

우주의 빅뱅과 함께 원자와 원소도 탄생했다. 빅뱅 발생 1초 전에 원자가, 1초 후에 수소, 3분 후에 헬륨이 만들어졌다. 이후 수소 92%와 헬륨 8%의 원시 지구가 탄생했다. 철까지의 원소는 항성 속에서 핵융합으로 만들어졌고, 철보다 무거운 원소는 초신성 폭발과 인공 원소 합성을 통해 만들어졌다.

이러한 우주의 뿌리인 미시 세계를 담아 그림 ‘천지개벽 241502P’를 그리고, 시 ‘우주 삼라만상의 뿌리’를 썼다.

/우주화가 하정열(Cosmos Painter Ha, Jung-Yul)  

하정열 칼럼니스트

press@interview365.com

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