원자

숯을 잘게 부숴나가면 탄소의 성질을 갖는 가장 작은 단위인 탄소 원자에 도달한다. 이와같이 모든 물질은 궁극적으로 원소(chemical element)의 성질을 갖는 최소 단위로 구성 되는데, 이를 원자라 부른다.

원자의 경계는 분명하지 않아 원자가 차지하는 공간을 설정하는 방법에 따라 다소 차이가 있지만, 원자를 구라고 생각할 때 그 지름은 대략 일백 억분의 일 미터(@@NAMATH_INLINE@@10^{-10} @@NAMATH_INLINE@@ m) 정도이다. 원자는 다시 원자핵과 핵 주위에 구속된 전자로 구성된다. 핵의 지름은 원자 지름의 십만분의 일 밖에 되지 않아, 원자 내에는 엄청난 빈 공간이 있는 셈이다.

원자핵은 다시 양의 전하를 갖는 양성자와 전하를 갖지 않는 중성자로 구성되고, 핵이 갖는 양성자의 수를 원자가라 부르며, 원자가가 원소의 성질을 결정한다. 예컨대, 모든 탄소 원자는 6개의 양성자를 갖는다. 한편, 중성자의 갯수는 양성자의 갯수와 다를 수 있는데 이렇게 중성자 수가 다른 원소를 동위원소라 부른다. 하지만 동위원소들은 같은 양성자를 가져 같은 원소 성질을 갖는다. 보통 동위원소는 양성자 수와 중성자 수를 합한 소위 핵자의 갯수로 구별한다. 예컨대 자연에는 두 가지 탄소 동위원소가 존재하는 데, 양성자는 6개로 같지만 중성자가 6개와 8개로 다르다. 탄소의 화학적 기호인 C 앞에 핵자수를 위 첨자로 붙여 각각 @@NAMATH_INLINE@@{}^{12} C@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@{}^{14} C@@NAMATH_INLINE@@로 표시한다 (그림 1 참조).

양성자와 중성자의 질량은 전자 질량의 1836배에 달해 전자의 질량은 대개 무시되지만, 전자는 양성자가 갖는 크기 만큼의 음의 전하를 가져, 양성자 수와 전자 수가 같은 원자는 전기적으로 중성이다. 원자가 전자를 잃거나 얻으면 이온이 만들어지고, 이온의 총 전하는 양이거나 음이다. 원자는 다시 다른 원자들과 결합하여 분자와 같은 화합물을 형성한다. 이렇게 원자가 결합하고 분해하는 과정이 자연에서 일어나는 대부분의 물리화학적 변화를 보여준다.

그림 1. 나트륨 원자 모형