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원자는 화학의 구성단위이자 우주 만물의 구성단위이다. 원자를 이해하면 실험실의 화학반응에서 일어나는 일이나 자연에서 일어나는 일의 대부분을 이해할 수 있다. 내 몸속에 있는 원자의 수는 10억의 10억 배의 10억 배가 훨씬 넘는다. 모든 원자는 똑같지 않다 원자는 크기가 매우 작기 때문에 최근까지 그 모습을 눈으로 블 수 없었다. 그런데 고해상도 현미경이 개발되면서 상황이 바뀌었다. 2012년 호주의 과학자들이 원자 1개의 음영 사진을 찍는 데 성공한 것이다. 그러나 실제로 원자가 어떤 작용을 하는지 이해하려고 원자의 모습을 꼭 봐야 하는 것은 아니다.

 

화학의 관심 대상은 원자보다 더 작은 아원자입자, 특히 원자의 바깥증을 이루고 있는 전자의 활동에 있다. 원자를 복숭아라고 가정해보자. 이때 복숭아씨가 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵이며, 습이 많은 복숭아 과육이 바로 전자들이다. 이처럼 원 자의 공간 대부분은 전자로 이루어져 있다. 그러나 이 원자가를 어지지 않고 한 덩어리를 유지하는 것은 조그만 원자핵 덕이다. 원자핵의 양성자는 양전하를 띠는데, 음전하를 핀 전자가 사방으로 도망쳐버리지 않도록 끌어당겨 붙잡아 두는 역할을 한다. 사실 원자가 복숭아와 그리 비슷한 것은 아니다. 그래도 비유를 조금만 더 해보자. 원자 역시 과일처럼 다양한 풍미를 지니고 있다.

 

만약 복숭아가 산소 원자라면 자두는 탄소 원자라 할 수 있다. 이 두 원자 과일에는 양성자가 들어 있는 씨를 전자 과육이 둘러싸고 있다. 비슷해 보이지만 두 원자는 완전히 다른 성질을 가졌다. 산소는 한 쌍의 원자들이 짝을 지어(62) 공기 중에 둥둥 떠다니는데, 탄소는 엄청난 수의 원자가 한데 모여 다이아몬드나 연필심 같은 딱딱한 고체 덩어리를 이룬다. 산소와 탄소를 각기 다른 원소로 만드는 것은 바로 양성자 개수 차이다. 산소가 가진 양성자는 8개로 탄소보다 2개가 더 많다.

 

물론 아주 크고 무거운 원소들은 원자핵 안에 100개도 넘는 양성자를 갖고 있다. 작은 원자핵 공간 안에 양전하를 민 입자들이 억지로 빽빽하게 들어차다 보면, 양성자들이 서로 반발하고 밀어내는 힘이 커져서 균형이 쉽게 깨진다. 그렇기 때문에 무거 운 원소들이 불안정한 것이다. 어떤 종류가 되었든 한 종류의 원자는 원자핵 속 양성자와 같은 수의 전자를 갖는다. 만일 전자 1개가 떨어져 나가거나 덧붙는다면 원자의 양전하와 음전하 사이의 균형이 깨지면서 원자는 '이온'이 된다. 이온이란 전하를 민 원자 또는 분자를 말한다.

 

이온은 매우 중요한 역할을 한다. 소금의 주성분인 염화 나트륨, 석회의 주성분인 탄산칼슘 같은 온갖 물질에서 이온의 전하가 구성 원소들을 결합시키는 접착제 역할을 하기 때문이다. 원자는 모든 것들의 구성요소다. 원자는 엄청나게 복잡한 분자로 이루어진 단백질 등으로 생명체를 구성한다. 지구 상에 존재하는 엄청나 게 다양한 생물들 모두 예외 없이 한 가지 특별한 원자를 가졌다.

 

바로 탄소다. 깊은 바다 밑바닥에 사는 박테리아에서 저 하늘 높이 날아다니는 새에 이르기까지 지구에 사는 생물이라면 이 탄소라는 원자를 공유하지 않는 존재는 없다. 물론 우리가 지구 외의 다른 곳에 사는 생물을 아직 만나본 적 이 없으니 생물이 탄소를 기반으로 하는 형태로 진화해온 것이 단순히 우연에 의한 것인지, 다른 종류의 원자를 기반으로 한 생명체가 번성할 수도 있는지에 대한 답은 구할 수가 없다.

 

세상과 눈높이를 맞추다 태양 전지판의 효율을 증대하고 암세포만을 찾아내 선택적으로 파괴하는 약을 개발하는 등 온갖 장밋빛 전망을 약속하는 나노 기술 분야의 발달은 원자의 세계에 더 많은 관심을 갖게 한다. 나노 기술의 도구는 101의 1/10억 크기 수준에서 작동한다. 원자보다는 크지만, 이 정도면 원자나 분자를 개별적으로 조작하는 가능성을 생각해볼 수 있게 해 준다. 그러니 원자는 정말 어렵고 힘든 분야라고 할 수 있다.

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