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 원자력 세상(20회): 닐스 보어의 원자 모델
 작성자 : 주승환      2005-08-01 13:00:00   조회: 2257   
원자A20 2005/01/08

《주승환의 원자력 세상 보기(20회): 닐스 보어의 원자 모델》

〈원자는 원자핵과 전자들로 이뤄진다〉
원자란 반드시 한 개의 원자핵을 가져야 하고, 그 핵은 전기의 성질로는 플러스(+)를 띠게 된다. 그런 플러스의 성질에 걸맞게 원자핵 주위에는 마이너스(-) 전기를 띤 전자들이 둘러싸서 원자는 전기적으로 중성을 띠게 되어 안정된다. 자연의학에서 건강의 비결로서 몸의 음양 조화를 강조하듯, 물질들도 음양으로 조화를 이뤄야 가장 안정된 상태다.

방사선들 중에는 알파선, 베타선, 감마선 그리고 아직 얘기가 안 된 중성자 이들 모두는 원자핵을 가지고 있질 않기 때문에 원자라고 부르지 않는다. 한 개의 알갱이거나, 에너지로 불린다. 러더퍼드는 알파 알갱이의 산란 실험으로 원자에는 원자핵이 있음을 발견하였지만, 원자핵과 전자들이 서로 안정되게 붙어있을 그림은 그려내지 못했다. 닐스 보어가 그 일을 해냈다.

우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 물질들은 한 가지 성질만으로 이뤄진 것은 아니다. 맵고, 쓰고, 달고, 여러 가지 아름다운 색상들, 부드럽고, 질기고, 딱딱하고…, 이런 다양한 물성들은 원자보다 큰, 물질 단위의 하나인 ‘분자’(1 개가 아닌 2 개 이상의 원자들, 같은 또는 다른 원자들과 서로 붙어 한 물성을 나타내는 기본 단위) 들이 모여 이뤄진다. 기본적으로, 이런 분자들은 그 분자를 만들고 있는 원자들이 가진 전자들끼리 서로 주고받아 그런 성질을 나타내게 된다.

화학에서 흔히 쓰는 용어로 말하면, 개개 원자의 ‘화학적 성질’과도 연결된다. 화학적 성질이란 말은 분자들끼리 서로 전자들을 주고받고 하면서 결합하고, 아니면, 나눠지고 하여, 다른 물질로 변화할, 그런 성질을 뜻한다. 이런 전자의 주고받기로서 물질이 변화된 과정이 ‘화학적 변화’다. 줄이면, ‘화학변화’다.

〈화학변화는 원자를 이룬 전자들끼리 교환이다〉
원자핵이 발견되기 훨씬 이전에도 사람들은 물질의 화학변화를 알고 있었다. 기원전 2000년경, 연금술사의 묘기들은 화학변화를 교묘히 흉내 낸 것들이다. 이집트에서 시작된 그 묘기들은 중세기 유럽으로 건너와서 화학이란 한 학문분야를 이뤘다.

‘화학변화’란 기본적으로는 분자를 이룬 원자들이 갖는 전자들끼리 서로 주고받는 현상이다. 화학변화로 생겨난 화합물질들은 때론 ‘플러스 이온’ 그리고 ‘마이너스 이온’이란 말도 쓴다. ‘이온’은 화합물질을 이룬 원자들이 가진 전자들 중에서 한 개 또는 몇 개의 전자들이 부족하든가 아니면 넘칠 때의 원자 상태를 나타낸다. 예컨대, 우리의 식탁위에 하루라도 빠질 수 없는 소금도 소듐(나트륨이라고도 써오던, 원소기호, Na)과 염소(Cl) 두 원소들이 결합(한 분자로 됨)을 이룬 분자 단위들이 수없이 모여진 덩어리다. 화학식으로 나타내면, NaCl(‘염화나트륨’이라 부름)이다. 화학식의 이름을 부를 때, 화합을 이룬 화학식에서 “뒤의 …원소와 결합한 …앞의 원소인 분자이다”란 뜻으로 “…화…”라고 이름 붙인다.

소금은 물에 잘 녹는다. 물에 녹으면 NaCl 모습의 결정은 아니고, 소듐이온(Na+ 이온)과 염소이온(Cl- 이온)으로 따로따로 나눠져 물분자들 속에 끼어든다. 이 때 소듐과 염소 원자가 가진 전자들에서 과부족 현상이 일어난다. Na+ 이온은 소듐원자의 전자 한 개가 떨어져 나간 것을 뜻하고, Cl- 이온은 염소원자에서 전자 한 개를 얻은 것이다. 이런 상태를 ‘이온상태’ 또는 ‘라디칼’이라고 하며, 물질이 안정되지 못한 경우다. 물을 말려버리면 이온 상태는 없어지고 다시 단단한 소금 덩어리로 돌아간다.

〈원자번호와 전자 수효는 서로 같다〉
물질들은 전기적으로 안정된 물성을 지녀야 물질세계에서 오래 버틴다. 여기서 눈을 크게 뜨고 살펴야 할 대목은 화학변화의 바탕인 원자를 이룬 전자들의 수효가 문제이다. 화학변화를 주도할 전자들의 수효가 어떤 메커니즘으로 결정되느냐다.

멘델레프는 원소의 화학적 성질들이 서로 비슷한 것들 끼리 모우다보니 화학에서 아주 편리한 주기율표를 만들었다. 앞서 얘기대로, 원자번호는 그 원자핵을 둘러싼 전자들의 수효와 꼭 같은 수이다. 닐스 보어가 방사능 원자의 변위법칙을 발견하기 이전, 원자번호는 원자의 무게 크기를 기준으로 가벼운 것부터 순서대로 번호를 차례대로 붙여나갔다. 수소는 1, 헬륨은 2, 산소는 8, …, 우라늄은 92라고 붙였다. 하지만 보어 원자모델에서는 그 번호는 단순히 붙여진 수가 아닌, 그 원자가 갖는 고유한 전자들 수효라는 새로운 뜻을 갖게 된다.

수소의 한 원자핵 주변에는 1 개의 전자 그리고 우라늄의 경우는 원자 하나에 92 개의 전자들이 우라늄의 한 원자핵 주위를 싸고 있다. 방사능 원자의 변위법칙이 바로 그런 바탕 위에서 이뤄진다. 그렇다면, 원자핵의 플러스 전기량(양전하량)도 전자들과 짝을 지어야 하므로 성질만, 플러스 또는 마이너스로 서로 다르나, 그 에너지의 절대량은 서로 같다진다. 정리하면, 원자의 중심을 이룬 우라늄 원자핵의 플러스 전하량은 수소의 것보다 92배나 더 크다.

원자번호가 높을수록 원자핵 자체는 불안정해진다. 원자핵이 안정되지 못한 까닭은 반드시 원자번호가 높아야 된다는 얘기는 아니다. 대체로 그런 경향을 나타낸다는 얘기로 이해하자. 원자핵이 불안해지는 까닭은 따로 있다. 나중으로 미룬다.

〈닐스 보어의 원자〉
닐스 보어 원자 모델에서 남은 것은 어떻게 원자핵과 전자들이 서로 안정을 유지하고 있어야 하는지를 설명해야 한다. 우선 원자의 모습을 겹겹이 싸여진 양파 껍질에 견줘보자. 원자핵은 양파의 중심에 놓여있다고 생각한다면, 양파의 껍질이 차지하는 공간은 전자들이 겹겹이 둘러싸서 빛의 속도로 원운동을 하고 있을 텅 빈 공간이 된다. 전자들이 원자핵을 둘러싸고 쿨롱의 힘으로 서로 맞서 하나의 원자 단위를 이룬다.

좀 복잡한 설명이라 쉽게 이해되지 않을 것이다. 필자가 자주 인용하는 말이 있다. 힘든 일에 부닥치면 생각하던 버릇 때문일 것이다. 애기가 태어나서 “엄마”라고 발음하기까지는 적어도 3000번을 되풀이해야 제대로 발음한다. 언어학자들은 한 외국 단어를 실수 없이 쓰려면, 5000번을 실수하고 난 뒤라는 연구보고가 있다.

자전거 바퀴를 빠르게 돌리면 바퀴의 철사 줄은 보이지 않고 겉의 프레임만 돌고 있을 것이다. 원자핵과 전자를 잇는 철사 줄이란, 보이지 않을 쿨롱의 전자기 에너지가 그 역할을 한다. 원자핵이 갖는 에너지와 대결할 전자들이 갖는 쿨롱의 전자기 에너지는 뉴턴의 운동법칙으로 셈할 수 있다. 전자의 질량 그리고 그것의 회전 속도를 알면 쉽게 셈할 수 있다.

전자는 빛의 속도로 원자핵 주위를 돈다. 속도는 빠르나 질량이 작음으로 한 개 원자의 쿨롱 에너지란 별 것 아니다. 하지만, 1 그램의 물질은 아보가드로수(6.02에다 열 배 단위인 영을 23개나 더 붙인 수)만큼의 원자들이 모여진 것이다. 원자로를 처음 만든 페르미는 뉴욕 맨해턴의 한 빌딩에서 한손의 주먹을 쥐면서, 이 것 하나면 한 개의 도시를 없앨 수 있다고 장담했다. 그런 것이 원자력이다.

〈토끼가 간을 빼곤 살 수 없다〉
모든 원자들은 원자핵과 전자들 사이에서 서로 엄청난 전자기 에너지로 맞서고 있는 모습을 사람이 만들 수 있는 기계적인 힘으로는 둘 사이를 갈라놓질 못한다. 하지만, ‘반핵’하는 이들은 원자핵과 전자들을 따로 때어놓는다. 반핵(반원자핵)을 소리높이 외치는 것을 필자의 상식으로서는 이해할 수 없다. 원자력이라면 그 속에는 전자들도 포함된다. 그런데 핵만을 반대할 수 없다.

핵폭탄일 경우는 원자의 상태가 전혀 달라진다. 언제라도 핵을 쪼갤 기폭제가 들어있으므로 폭탄이 터질 찰나에야 원자핵은 전자들과 분리되면서 폭발해서 에너지만 전파시키고 찰나에 살아져버린다. 찰나에만 나타날 원자핵을 기준하여 핵을 반대한다는 소리는 원전의 경우는 아닐 것이다. 핵폭탄이래야 가능하다. 핵을 가진 외국 나라들에서 직수입해온 ‘반핵개념’일 것이다. 우리가 만들지도, 보관하지도, 그리고 연구개발도 할 수없는 핵폭탄을 “핵-쓰레기”니, “핵폐기물”이니 하는 낱말들을 원전에다 걸고 시비할 일이 아니다.

토끼가 자라 꽴에 빠져 용궁 갔다 온 얘기를 어린시절 듣고 자랐다. 용왕은 토끼 간이 필요한데, 육지에 간을 두고 왔다는 토끼의 임기웅변으로 목숨을 건진 우화는 정말 재미난다.

원자는 원자핵과 전자가 돌고 있는 공간으로 그 크기를 정한다. 원자핵의 크기와 전자들이 도는 공간을 쉽게 견줘보자. 서울역 광장에 1미터의 원을 그려놓고 그 곳이 원자핵이 차지할 공간이라면, 전자는 천안이나 원주 거리만큼 떨어진 거리를 유지하면서 빛의 속도로 원자핵을 중심축으로 도는 꼴이 된다. 한 원자는 전자가 돌고 있을 공간을 포함하므로 실제로 원자 속은 텅 빈 공간일 수밖에 없다. 그래서 방사선은 우리 몸을 마음대로 헤집고 다닐 수 있다.

/주승환 고려공업검사(주) 연구소장, 공학박사, 방사선관리 기술사. 한국기술사회 홍보위원

※ 인사 올입니다:
저를 사랑하는 네티즌님들에게!
새해에는 묵은 해를 박차고 홰를 치면서 새해아침, 붉은 해를 불러 떠올린 닭의 힘찬 목청처럼, 밝은 희망의 해가 되기를 기원합니다.

울진신문에 기고한 필자의 글(2005.1.11 발행 예정) 그리고 『원자력산업』(2005/1)에 원전센터 유치 명분에 관한 글도 많이 애독해 주세요. 주승환 배상.

2005-08-01 13:00:00


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