원소의 구성요소에는 무엇이 있을까요? 고등학교 시절 누구나 배웠을 내용을 다시한번 확인해보는 시간을 갖도록 하겠습니다. 우리가 흔히 알고 있는 중성자와 양성자와 전자가 구성요소이며 각각의 특징이 어떠한지 알아보도록 하겠습니다. 그리 어렵지 않은 교양 과목 수준의 내용으로 정리하였으니 한번 시간을 내어 보시기를 추천 드립니다.
원소의 구성 요소
원소(ELEMENTAL)의 구성 요소에는 무엇이 있을지 알아보도록 하겠습니다. 모든 물질은 원자라는 소립자로 구성되어 있으며 원자는 원소의 화학적인 특징을 갖기 위한 최소 단위 입니다. 원소와 원자를 헷갈리시면 안됩니다. 개념적으로 원자가 원소의 하위 개념이라고 꼭 인지하셔야 합니다. 추후에 아래에서 예시를 들어서 설명해 드리도록 하겠습니다.
그렇다면 원소란 무엇일까요? 이것은 화학적 방법으로 더 간단히 분리할 수 없는 물질이라고 정의하고 있습니다. 원소는 모든 물질을 구성하는 기본 단위로서 내부에는 양성자 중성자 전자가 존재합니다. 현재까지 밝혀진 종류는 118종이 있으며 원자핵 내의 양성자 수와 원자번호와 같습니다.
이제 앞서 설명 했듯이 원소와 원자의 개념에 대해서 알기 쉽게 설명해 드리겠습니다. 수소 원소를 예로 들어보겠습니다. 우리가 흔히 수소를 말할 때는 수소 원소라고 합니다. 이는 수량에 대한 개념이 없이 그냥 개념적으로 남자 여자 같은 정의를 내릴 때 말 하는 것과 같습니다. 하지만 수량을 표현할 때는 원자 단위로 표현합니다. 예를 들어 수소란 양성자와 중성자와 전자가 결합되어 만들어진 원소입니다. 라고 정의하고, 그렇다면 이 방안에 “수소 원자”는 몇개 있을까요? 라고 질문할 수 있다. 이때 대답할 때는 ‘수소 원자가 N개 있다’ 라고 대답할 수 있으며, ‘수소원소 N개 있다’라고 말하지 않습니다.
원소에서 양성자란 무엇인가?
그렇다면 양성자는 어떠한 물질로 구성되어 있으며 어떠한 특징이 있는지 알아봅시다. 양성자는 +1e인 전하를 갖고 있는 입자 입니다. 중성자와 함께 결합되어 있으며, 이 양성자의 개수에 따라서 우리가 흔히 볼 수 있는 주기율표의 원소들로 구별해 낼 수 있습니다.
양성자의 영문 표기명은 proton입니다. 입자 물리학의 현대 표준 모형에서 양성자는 강입자 중 한 종류이며 또 다른 핵자인 중성자와 같이 쿼크 3개로 이루어져 있다고 알려져 있습니다. 양성자의 성질로는 전자의 전하와 크기는 같지만 극성이 다르다고 알려져 있습니다. 질량은 전자의 1836배이다. 현대 입자 물리학에서 쿼크를 발견하면서, 양성자가 한 개의 입자가 아닌 두 개의 위 쿼크와 한 개의 아래 쿼크가 강한 상호작용으로 묶인 입자임이 확인 되었습니다. 현재도 이 양성자의 쿼크가 어떠한 특성을 갖고 있는지, 혹시나 중력 방정식을 풀 열쇠가 있진 않은지 많은 학자들이 연구 중에 있습니다.
원소에서 중성자란 무엇인가?
중성자(neutron)는 전하가 중성인 핵자를 의미 합니다. 플러스도 아니고 마이너스도 아닙니다. 양성자보다 0.14%무거우며 양성자와 결합되어 있는 상태로 존재 합니다. 중성자 또한 단일입자가 아닌 쿼크로 구성된 복합입자입니다. 한 개의 업 쿼크와 두 개의 다운쿼크로 이루어져 있습니다. 중성자는 양성자와 같이 있을 때는 반감기가 무한정으로 오래 갈 것으로 알려져 있지만, 양성자와 떨어지게 되면 그 반감기가 600초 정도로 급격하게 줄어듭니다.
양성자의 수는 같지만 중성자의 수가 차이가 나는 것을 동위원소라고 합니다. 한 원소의 핵 안에서 양성자수와 중성자 수가 동일한 경우 안정적인 상태를 보여주지만 중성자 수가 많은 원소의 경우 방사성을 띄게 되는데 이를 방사성 붕괴라고 표현 합니다. 중성자는 방사선의 일종으로서 감마선 보다 차폐가 어렵습니다. 차폐를 하기 위해선 수미터의 콘크리트를 설치하거나 물로 벽을 만들어야 합니다. 이들은 중성자와 부딪히게 되면 속도를 줄여주는 감속제 역할을 하므로서 위험을 줄이는 역할을 합니다.
원소에서 전자란 무엇인가?
마지막으로 전자란 무엇인지 알아보도록 하겠습니다. 전자는 음의 극성을 띄며 원자를 구성하며 원자핵 주변을 떠도는 입자 입니다. 전자의 질량은 매우 가볍기 때문에 원소의 질량을 잴 때는 전자의 무게는 무시하고 재도록 합니다.
전자가 양성자와 숫자가 동일하면 중성 상태를 유지하는데 특정 원소들을 전자를 잘 잃어버리거나 전자와 잘 결합하여 전자가 하나 많거나 하나 적은 상태를 유지한다. 우리는 이러한 상태를 이온화 되었다고 말하며, 이러한 원소들은 극성을 띄게 됩니다. 이러한 원소들을 음이온, 양이온이라고 부릅니다.
우리가 흔히 오해하는 것이 전자의 속도가 빠를 것이다 라고 생각하는데, 전자의 속도는 보통 초속 1밀리미터에 불과하다고 알려져 있습니다. 이는 입자중에서 굉장히 느린 편에 속합니다. 참고로 광속 즉 빛의 속도는 299,792,458 m/s입니다. 전자는 원자핵에 비해 가볍기 때문에 한 원자에서 다른 원자로의 이동이 무척 쉬우며, 이 때문에 여러가지 원소들끼리 화합물이 생길 수 있게 되는 것입니다.
고전 물리학에서는 전자 궤도 라는 용어가 있습니다. 전자가 원자 주위를 도는 원자 모형을 얘기하는데, 양자역학에서 얘기하는 것은 조금 다릅니다. 양자역학에서는 전자가 원자 내의 존재하는 공간적 위치 분포에 대응되는 확률 적인 분포 함수를 얘기합니다. 양자역학의 불안정성 원리에 따라서 원자의 각 상태에서 주어진 그 순간에 전자의 에너지를 정확하게 잴 수는 있지만 그 위치는 정확하게 확정할 수 없다는 것이 주요 원리의 근간입니다.