위대한 원자

물리학자 리처드 파인만은 만약 과학의 역사를 한 줄로 줄여서 표현하다면,  모든 것이 원자로 되어있다는 것이라고 말한 적이 있다. 원자들은 어느 곳에나 존재하고 모든 것을 구성하고 있다. 주변을 둘러보면 모든 것이 원자들이다.  별이나 탁자나 의자처럼 딱딱한 것만이 아니라, 그 사이를 채우고 있는 공기도 원자로 되어 있다. 더욱이 그런 원자들의 수는 정말 상상을 넘어선다. 원자들의 기본적인 모임이 바로 분자이다. 분자는 둘 이상의 원자들이 안정한 형태로 모인 것이다. 두 개의 수소 원자에 한 개의 산소 원자가 더해지면 물분자가 된다.  해수면 높이(1기압)에서 섭씨 0도의 경우에 각설탕 한 개 정도에 해당하는 1세제곱센티미터의 공간에는 270억개의 10억배 정도의 분자가 들어있다.

 

원자들은 신기할 정도로 영속성을 가지고 있기도 하다. 수명이 아주 긴 원자들은 정말 여러 곳을 돌아다닌다. 당신의 몸속에 있는 원자들은 모두 몸속에 들어가기 전에 이미 몇 개의 별을 거쳐서 왔을 것이고 수백만에 이르는 생물들의 일부였을 것이 거의 분명하다. 우리는 정말 엄청난 수의 원자들로 구성되어 있을 뿐 아니라, 우리가 죽고나면 그 원소들은 모두 재활용된다. 그래서 우리 몸속에 있는 원자들중의 상당수는 한때 셰익스피어의 몸속에 있었을 수도 있다. 수명이 상대적으로 짧은 우리는 모두 윤회하고 있는 셈이다.  우리가 죽고나면 우리 몸 속에 있는 원자들은 모두 흩어져서 다른 곳에서 새로운 목적으로 사용된다.  나뭇잎의 일부가 될 수도 있고,  다른 사람의 몸이 될 수도 있으며, 이슬방울이 될 수도 있다.  그렇지만 원자들은 실질적으로 영원히 존재한다. 원자수준의 크기로 내려가려면 1마이크론의 조각을 다시 1만분의1로 나누어야 한다. 그것이 원자의 크기다. 1밀리미터의 천만분의 1정도면 우리 상상을 초월한다. 원자들은 수명이 대단히 길고 수가 많고 대단히 작기 때문에 그 존재를 알아내고 이해하기 어렵다. 원자들이 작고 많으며 거의 파괴할 수 없다는 세가지 특성과 세상 모든 것이 원자로 만들어졌다는 사실을 처음 알게된 사람은  존 돌턴이라는 교육을 제대로 받지도 않은 평범한 퀘이커 교도였다.  돌턴은 수소 원자를 새로 만들거나 파괴하는 것은 태양계의 새로운 행성을 만들어내거나 현재 존재하는 행성을 사라지게 만드는 것과 같다고 주장했다.

 

원자들의 상대적 크기와 특성을 알아내고, 그것이 어떻게 서로 결합되는가를 알아낸 것이 돌턴의 업적이었다. 원자의 존재에 대해서 논란의 여지가 없는 확실한 근거를 제시한 사람은 아인슈타인이었다.  원자 시대의 진짜 영웅으로 떠오른 사람은 어니스트 러드퍼드였다.  러드퍼드는 원자의 대부분은 빈 공간이고 중심에는 밀도가 아주 큰 핵이 있다는 사실을 깨달았다. 모든 원자는 전기적으로 양전하를 가진 양성자, 전기적으로 음전하를 가진 전자, 그리고 전하를 가지고 있지 않은 중성자의 세종류 입자로 구성되어 있다.  양성자와 중성자는 원자핵에 뭉쳐져 있고, 전자는 그 바깥에 퍼져있다. 원자의 화학적 정체는 양성자의 수에 의해서 결정된다. 중성자는 원자의 정체에 영향을 주지는 않지만, 질량에는 영향을 미친다.  일반적으로 중성자의 수는 양성자의 수와 대략 같지만 조금씩 다를 수도 있다. 중성자를 한두개 더하면 동위원소가 된다. 예를 들면 탄소-14는 여섯개의 양성자와 여덟 개의 중성자를 가진 탄소원자를 말한다. 중성자와 양성자는 원자의 핵을 차지하고 있다. 원자의 핵은 매우 작다. 그러나 원자의 질량의 대부분이 원자의 핵에 집중되어 있기 때문에 그 밀도는 놀라울 정도로 크다. 크로퍼에 따르면 원자를 성당크기 정도로 확대하더라도 원자핵은 파리 한 마리 정도에 불과하다. 그런데 그 파리 무게는 성당 전체의 무게보다 수천 배나 더 무겁다.  원자들이 대부분 빈 공간으로 되어 있다면, 결국 우리가 주변에서 경험하는 단단함이라는 것은 환상에 불과하게 된다.  지금도 상당히 놀라운 사실이다. 의자에 앉아있는 사람은 실제로 의자에 앉아 있는 것이 아니라, 1옹스트롬 (1억분의 1센티미터) 정도의 높이에 떠 있는 셈이다.

 

1926년에 이르러 마침내 하이젠베르크는 두 가지 이론을 결합시켜서 양자역학이라고 알려지게된 새로운 분야를 정립했다.  전자는 파동으로도 설명할 수 있는 입자라는 의미를 담고있는 하이젠베르크의 불확정성의 원리가 그 핵심이었다. 양자론 근거가 되는 불확정성은 전자가 공간에서 움직이는 과정 또는 어느 순간에 존재하는 위치를 알아낼 수는 있지만, 두가지 모두를 알아낼 수는 없다는 뜻이다. 어느 하나를 측정하려고 시도하면 반드시 다른 하나를 변화시키게 된다. 우리는 불확정성의 원리 때문에 전자가 어느 순간에 어디에 있는가를 절대로 정확하게 예측할 수 없다. 전자는 어느 곳에 있을 확률만 이야기할 수 있을 뿐이다. 전자는 관찰되기전까지는 존재하지도 않는다. 다르게 표현하면 어느 곳에나 있으면서 어느 곳에도 존재하지 않는 것으로 여겨야 한다.

 

납은 신경독성 물질이다. 납을 너무 많이 섭취하면 뇌와 중추신경계에 회복 불가능한 손상이 생긴다. 납에 과다 노출되면 시력상실, 불면증, 콩팥기능 상실, 청신경 상실, 암, 마비, 경련 등의 증상이 나타나게 된다. 극단적인 경우에는 갑자기 극심한 환상에 빠져들어서 주변 사람들을 해친후에 결국은 혼수상태에 빠졌다가 사망해 버리기도 한다. 오존은 산소원자 두개로 구성된 보통의 산소와는 달리 산소원자 세 개로 된 산소의 한 형태이다. 지상에서는 오염 물질인 오존이 저 높은 곳의 성층권에서는 위험한 자외선을 흡수해 주는 좋은 일을 하고 있다는 것은 화학적으로도 신기한 일이다.

 

시카고 대학의 해리슨 부라운은 퇴적층에서 만들어진 것이 아닌 열을 받아서 생긴 화성암에 들어있는 동위 원소의 양을 알아내는 새로운 방법을 개발했다. 그 일을 하려면 엄청나게 오랜 시간이 걸린다는 사실을 깨달은 그는 클레어 패터슨에게 박사학위 과제로 그 일을 맡겼다.  패터슨은 1948년부터 연구에 착수했다. 지구 나이를 측정하려면, 납과 우라늄을 포함하고 있으면서 지구만큼 오랜된 시료가 필요했다. 그는 운석을 시료로 선택했다. 1953년 패터슨은 위스콘신에서 열린 학술대회에서 지구의 나이가 45억5000만년이라고 밝혔다. 패터슨은 대기중에 상당한 양의 납이 존재한다는 사실을 확인했다.  납은 쉽게 사라지지 않으므로 당시에 공기 중에 배출된 납은 지금까지도 남아있을 것이다.  대기 중에 떠 있는 납의 90%는 자동차에서 배출된 것으로 보였지만, 그런 사실을 분명하게 증명하지는 못했다. 그린란드 같은 지역에서 내린 눈이 매년 층을 이루며 쌓이므로 눈이 쌓여있는 층에 따라 납의 농도를 측정 하면, 지난 몇 백년, 몇 천년의 납의 농도를 측정할 수 있을 것으로 생각했다.  패턴슨의 연구결과에 따르면 1923년 이전에는 대기중에 납이 거의 존재하지 않았고,  그 후에 납이 지속적으로 늘어나서 위험 수위에 이르게 되었다는 것이다.  그의 노력으로 1970년에 청정대기법이 제정 되었고 1986년에는 미국에서 유연 휘발유 판매가 금지되었다.