창조물의 건축 자재

이 땅에서 주위를 살펴보라. 무엇이 보이는가? 언덕과 산의 장엄한 아름다움에, 초목의 매혹적인 색깔과 모양에, 그리고 동물과 새와 곤충의 애교있는 재주에 감동을 받지 않을 사람은 아무도 없다. 실로 창조물의 복잡 미묘함은 상상력을 초월한다.

외경을 불러 일으키는 아름다운 것들, 이 많은 것들이 무엇으로 만들어졌는지 궁금하지 않은가? 창조물의 건축 자재는 무엇인가? 이러한 건축 자재들이 어떻게 조립되어 우리 주변의 헤아릴 수 없이 많은 물질이 되었는가? 우리가 풍부하고 놀라운 창조물을 볼 때 속이 꽉찬 듯한 세계를 보게 된다. 이 모든 것이 99.9‘퍼센트’가 비어 있는 혹은 공간인 기본 건축 자재들로 구성되었다는 것이 놀라운 일인가?

인간은 수천년 동안 물질을 구성하는 요소가 정확히 무엇인지를 알아내기 위하여 노력해 왔다. 사전에서는 물질을 “물체의 구성 요소”라고 정의한다. 그러면 물질의 구성 요소는 무엇인가? 과학자들은 20세기에 와서야, 아니 지난 3, 40년 동안에 비로소 물체의 본질을 진정으로 이해하기 시작하였다. 이제 연구자들은 돌이든 식물이든 동물이든 강이든 무엇이든 간에 우리의 육감으로 알 수 있는 모든 물체는 세 가지 기본적인 입자로 이루어진 건축 자재로 만들어졌음을 알게 되었다.

이 세 가지 기본 입자가, 건축 자재에 들어 있는 각 입자의 수에 따라 그들이 형성하는 각 자재 즉 “원자”의 종류와 성질을 결정한다.a

그러나 먼저 정의를 올바로 이해하기로 하자. “원자”라는 말은 “원소의 가장 작은 입자”이며, “원소”는 “화학적인 방법으로 더 작은 물질로 분해할 수 없는 물질”을 의미한다. 예를 들어 우리가 금이라고 알고 있는 원소를 더 작은 알맹이로 나누다 보면 마침내 그 이상 나누면 원래의 화학적 주체성을 잃게 되는 최소 단위에 이르게 될 것이다. 이 가장 작은 알맹이가 원자이다. 더 나눈다면 원자를 앞서 언급한 입자 곧 양자(陽子)와 중성자(中性子)와 전자(電子)로 나눌 수 있다.

양자와 중성자는 무게가 비슷한데, 이들이 서로 다른 점은 양자는 양전기를 띠고 있지만 중성자는 전기를 띠지 않고 있으며, 따라서 중성이라는 점이다. 상대적으로 말하여 양자와 중성자는 전자에 비하여 크며 2,000배 가량 큰 질량을 가지고 있다. 아주 작은 전자는 음전기를 띠고 있으며 항상 전자 수는 양자 수와 같기 때문에 원자는 중성체이다.

이 세 가지 기본 입자 수가 증가하면서 여러 가지 원소의 원자를 형성한다. 즉 창조물의 건축 자재를 형성한다. 이 원소는 몇가지나 되는가? 오랫 동안 단지 네 가지 원소 즉 공기, 불, 물, 흙만 있는 줄 알았었는데 여러 가지 원소들이 점차적으로 밝혀졌다. 원소 주기표에 보면 백 가지가 넘는데 이 가운데는 인공적인 불안정한 원소도 몇가지 있다.

그렇다면 99.9‘퍼센트’가 비어 있다는 말은 무슨 뜻인가? 만일 우리가 우리 주변에 있는 놀라운 물체 가운데서 어느 것이나 그 물체의 원자 하나를 볼 수 있다면 그 모양이 어떠할 것인가? 구조는 어떠할 것인가?

원자 구조

모든 원자에는 양자와 중성자로 된 핵이 가운데 있고 주위로 전자가 돌고 있다. 여기에 한 가지 예외가 있는데 그것은 가장 단순한 원소인 수소의 원자이다. 수소 원자는 핵이 단 한개의 양자로 되어 있고 그 주위로 단 한개의 전자가 궤도를 그리며 돌고 있다.

그러므로 혹성들이 태양의 주위 궤도를 선회하듯이 전자들이 작고 조밀한 핵 주위의 비교적 큰 궤도로 돌아가는 일종의 ‘미니’ 태양계를 상상할 수 있다. 이 극히 작은 태양계는 원소에 따라 다르며 한 원소의 각 원자에 재생된다. 어떠한 힘과 정밀성이 이 모든 것을 만들었는가? 아래 도해에 그려진 탄소 원자를 예로 들어 생각해보자.

물론 우리는 원자가 무한히 작기 때문에 원자 하나도 볼 수가 없다. 이들 각 ‘미니’ 태양계는 직경이 단지 1억분지 1‘인치’밖에 되지 않는다! 그리고 가운데 핵 즉 ‘미니 태양’은 직경이 전체 원자의 10만분의 1밖에 되지 않는다!

원소에 따라, 원자 속의 전자 수가 하나에서 백 이상에 이르기까지 다양하므로 각 원자 속에 있는 무한히 작은 공간내의 경이롭고 복잡미묘한 배열을 고려할 때 경악을 금할 수 없다. 그렇지 않은가?

푸른 풀, 암소의 꼬리로 시작하여 산에 이르기까지 속이 꽉 찬듯이 보이는 모든 물체가 헤아릴 수 없이 많은 미소한 원자들로, 중앙의 핵과 궤도를 선회하는 전자 사이가 빈 공간인 원자들로 되어 있다는 것을 생각할 때 얼떨떨해진다. 그렇다, 원자는 대부분이 빈 공간이다. 그러므로 「생활 과학 총서」 “물질”편에 이런 말이 나온다. “만일 각 원자를 원자의 중심 즉 핵보다 크지 않은 영역으로 찌부러뜨리면 ‘와싱턴’ 기념상[높이가 166‘미터’인] 전체를 연필에 달린 지우개보다 작은 공간에 다져 넣을 수 있을 것이다.”

각 원자 내의 전자는 “전자각”(電子殼)을 궤도로 돌아가는데, “전자각”이란 핵에서부터의 일정한 거리를 말한다. 원자는 기본 입자의 수가 많음에 따라 더 복잡해지므로 전자가 많은 경우에는 전자가 여러 개의 “전자각”을 궤도로 돌아간다.

예를 들어 탄소 원자의 그림을 보면 안쪽의 전자각에 두개의 전자가 있고 바깥쪽의 전자각에 네개의 전자가 있다. ‘알루미늄’ 원자는 첫 전자각에 두개의 전자가 있고 두번째 전자각에 여덟개의 전자가 있고 제일 바깥쪽 전자각에 세개의 전자가 있다. 다시 말하면 일정한 양식이 없이 아무렇게나 전자들이 다량으로 몰려 있는 것이 아니고 매우 질서있게 배열되어 있다.

우리는 이러한 건축 자재들이 모여서 어떻게 우리를 매혹시키는 놀라운 물체를 만드는가에 관심이 있으므로 우리는 특히 이러한 미립자 즉 전자에 관심을 가지고 있다. 왜냐 하면 각 원자의 화합 능력을 결정하는 것은 궤도를 선회하는 이들 전자의 배열이기 때문이다. 이 화합 능력을 “원자가”(原子價)라고 부른다.

전자를 빌려서 화합함

원자에 대한 연구가 진행됨에 따라 원자가 전자각(빌리고 빌려 주는 전자각)에 완전한 전자 수(보통 여덟)를 가지고 있는 원소는 극히 안정되어 있다는 것을 알게 되었다. 다시 말하면 그것은 다른 원자와 쉽게 화합하지 않는다. 이러한 안정된 혹은 불활성 원소는 희(稀) ‘가스’ 즉 ‘헬륨’, ‘네온’, ‘아르곤’, ‘크립톤’, ‘크세논’, ‘라돈’으로 알려져 있다.

점차적으로 각 원소의 전자각의 그림이 작성되었다. 원자들은 바깥쪽의 전자각을 안정시키려는 경향이 있음이 발견되었다. 원자가 이론에서는 이것을 설명하기 위하여 원자들이 전자를 빌리고 빌려주며, 혹은 다른 원자들과 전자를 공유한다고 설명한다. 염소(鹽素)와 같이 외각에 일곱개의 전자를 가지고 있는 원소는 예를 들어 ‘소듐’과 같이 외각에 전자를 하나 가지고 있는 원소로부터 전자를 빌려 온다. 어떻게 이러한 일이 일어나는지 알기 위하여 아래 도해를 보라.

1807년에 발견된 ‘소듐’ 즉 부드럽고 은같이 흰 금속은 물에 격렬한 반응을 보이는 매우 활발한 원소이다. ‘소듐’에는 열 한 개의 전자가 있는 데 두개, 여덟개, 한개의 전자가 도는 전자각들이 있다. 1774년에 발견된 염소는 푸르스름하고 노란 ‘가스’이다. 이것은 표백제와 소독제, 그리고 독‘가스’로 사용되었다. 염소 원자는 열 일곱 개의 전자를 가지고 있는데, 각각 두개, 여덟개, 일곱개의 전자들을 가지고 있는 전자각들이 있다. 바깥쪽의 전자각만을 표시한 도해를 보면 이러한 건축 자제들이 어떻게 화합하며 그 화합의 결과 무엇이 생기는지 알 수 있다.

염소 원자는 ‘소듐’ 원자로부터 전자 하나를 빌려 와서 이 가외의 전자의 추가로 말미암아 음전기를 띠게 되고 반대로 ‘소듐’ 원자는 양전기를 띠게 된다. “이온”이라고 부르는 이들 전기를 띤 원자는 전기가 서로 반대되기 때문에 서로 끌어 당긴다. 이들이 결합하여 ‘소듐’ 염화물 즉 소금이 된다.

각기 독특한 성질을 가진 두 가지의 가망성이 없는 듯한 건축 자재로부터 우리 생활에서 없어서는 안되는 소금이 만들어진다. 단 한개의 전자를 전위시키면 전혀 새로운 물질이 생성되는 것이다! 이와 같은 화합을 전기적 원자가 결합이라고 부른다.

전자들을 공유하여 화합함

또 다른 종류의 화합은 전자 공유 결합이라고 부른다. 이러한 결합시에 여러 가지 원자가 전자들을 공유하여 바깥쪽의 전자각이 필요한 안정을 얻게 된다. 일례로 두 개의 탄소 원자와 여섯 개의 수소 원자와 한개의 산소 원자가 결합하여 ‘에틸 알코홀’ 즉 많은 음료의 취하게 하는 요소를 형성한다. 전자를 공유한 각 쌍의 공유 원자가 결합이 아래 도해에 대쉬(—)에 의한 화학 구조식으로 설명되어 있다.

탄소 원자와 산소 원자가 몇쌍의 전자들을 공유함으로써 바깥쪽의 전자각은 여덟개의 전자를 가지게 되어 안정을 얻는다. 한편 수소 원자는 두개의 전자가 있는 외 전자각을 얻게 된다.

더욱 복잡한 상호 작용

물론, 분자 안에 탄소를 가진 유기 화합물을 만드는 훨씬 더 복잡한 분자가 형성될 때는 여러 가지 원소 사이의 상호 작용과 친화력은 더욱 더 복잡해진다. 한 가지 유기물의 예로 이것을 설명한다. ‘클로로필’이라고 불리우는 놀라운 물질의 분자의 구조식을 알리는 도해가 우단에 있다.

생각해 보라. 수소 원자 72개, 탄소 원자 55개, 산소 원자 5개, 질소 원자 4개, ‘마그네슘’ 원자 한개가 있다. 이미 그들 중 일부는 화합되어 미리 만들어진 단위, 말하자면 ‘클로로필’ 한 분자 즉 식물의 가장 중요한 색소의 한 분자가 되었다. 이 물질 때문에 전원이 녹색을 띠며, 식물이 태양의 복사 ‘에너지’를 사용할 수 있는 화학 ‘에너지’로 바꿀 수 있는 놀라운 능력을 가지게 된다.

당신은 ‘클로로필’의 한 분자라도 구성하기 위하여 여러 가지 원자들을 연결시키려고 궤도를 돌아가는 전자들의 놀라운 상호 작용을 상상할 수 있는가? 이 문장 끝에 있는 종지부 하나를 덮는 데도 이러한 분자가 수천만 수억만이 든다는 것을 우리가 고려할 때 그러한 배열을 설계하신 분에 대해 감탄하는 마음이 커지고 깊어지지 않을 수 없다.

과학자들은 어떻게 왜 여러 가지 건축 자재들이 화합하는지에 대한 사실들을 알아내기 시작하였지만 그들은 이러한 화합을 지배하는 확고한 그리고 질서있는 법칙이 있음을 똑똑히 알고 있다. 그들은 모든 생명 형태의 엄청나게 복잡한 산 세포들이 이러한 이미 복잡하게 결합된 물질들을 지상에 살아 있는 풍부한 것들로 만드는 믿지 못할 만한 복잡성에 외경을 금하지 못한다.

감지할 수 없을 만큼 작은 원자가 모든 웅대한 창조물로 조립되는 과정이 다음 도해에 명시되어 있다.

주의를 살펴보라. 그리고 가장 작은 씨로부터 무한한 우주에 이르기까지 우리가 아는 모든 물질체 즉 99.9‘퍼센트’가 비어 있는 건축 자재들로 만들어진 모든 물체의 제작 배후에서 지휘한 지혜와 지성을 깊이 생각해 보라.

[각주]

[15면 도해]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

탄소 원자에는 여섯 개의 양자와 여섯 개의 중성자로 된 핵이 있고, 안쪽 전자각에 둘, 바깥 전자각에 넷, 도합 여섯개의 전자가 있다

[15면 도해]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

‘소듐’ 원자와 염소 원자의 화합

‘소듐’ 염소 + −

원자들(바깥쪽 ‘소듐’ 염화물을

전자각만 그렸음) 형성하는 ‘이온’들

[16면 도해]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

‘에틸 알코홀’ 분자

C: 탄소 원자

H: 수소 원자

O: 산소 원자

[16면 도해]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

‘클로로필’ “a.” 분자

H: 수소 원자 (72)

C: 탄소 원자 (55)

O: 산소 원자 (5)

N: 질소 원자 (4)

Mg: ‘마그네슘’ 원자 (1)

[16면 도해]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

세가지 기본 입자

양자,

중성자,

전자

원자 화합물 모든 물체

100여 가지 무기물과 생물과

원소들 유기물 무생물