원자 이론과 운동론에 관한 글
원자 이론
수천 년 동안 고대 그리스인들은 금, 철과 같은 모든 순물질이 원자로 이루어져 있다고 믿었습니다. 그들에 따르면, 순물질을 작은 조각으로 자르고, 그 작은 조각들을 다시 자르고, 또 자르고… 이런 과정을 반복하면 더 이상 자를 수 없는 가장 작은 조각이 남게 됩니다. 이 가장 작은 조각을 원자라고 부릅니다. 원자(atom)는 그리스어로 "더 이상 나눌 수 없는"이라는 뜻입니다.
당시에는 원자가 더 이상 쪼갤 수 없는 것으로 여겨졌습니다. 그러나 이후 과학자들이 전자와 원자핵(양성자와 중성자)을 발견하면서 원자를 더 이상 쪼갤 수 없다는 가정은 잘못된 것으로 밝혀졌습니다. 따라서 원자는 전자(음전하를 띤다)와 원자핵으로 구성됩니다. 전자는 원자핵 주위를 공전합니다. 원자핵 내부에는 양성자(양전하를 띤다)와 중성자(전하가 없거나 중성이다)가 있습니다.
또 다른 이론이 있는데, 바로 연속체 이론입니다. 이 이론은 순수한 물질은 무한히 나눌 수 있다고 주장합니다. 이 이론에 따르면 가장 작은 조각은 존재하지 않습니다. 가장 작은 조각도 더 작은 조각으로 나눌 수 있으므로, 그 수는 무한히 많아집니다. 그렇다면 이 두 이론 중 어느 것이 옳은 것일까요? 원자론이 옳은 것일까요, 아니면 연속체 이론이 옳은 것일까요?
물리학에서 모든 이론은 실험을 통해 증명될 때 과학적으로 인정받습니다. 18세기, 19세기, 그리고 20세기에 걸쳐 과학자들이 수행한 실험을 통해 원자론은 옳다는 것이 입증되었습니다.
먼저, 다음 내용을 이해해 보세요. 원소는 화학적으로 더 이상 분해할 수 없는 순수한 물질입니다. 예를 들어 금(Au), 철(Fe), 구리(Cu), 아연(Zn), 나트륨(Na), 칼슘(Ca), 염소(Cl), 질소(N), 산소(O), 수소(H) 등이 있습니다. 원소 외에도 화합물이 있습니다. 화합물은 여러 원소로 이루어져 있습니다. 따라서 화합물도 다시 여러 원소로 분해될 수 있습니다. 화합물의 예로는 물이 있습니다.
원소의 가장 작은 단위는 원자이고, 화합물의 가장 작은 단위는 분자입니다. 분자는 원자들이 서로 결합하여 이루어진 것입니다. 순금은 원소의 한 예입니다. 순금은 금(Au) 원자로 이루어져 있습니다. 철 조각 또한 원소의 한 예입니다. 철은 철(Fe) 원자로 이루어져 있습니다. 따라서 원소는 같은 원자로 이루어진 순물질입니다.
우리가 흔히 보고, 만지고, 마시는 물은 물 분자(화학식은 H₂O)로 이루어져 있습니다 . 물 분자는 수소 원자(H) 두 개와 산소 원자(O) 한 개로 구성됩니다.
다음은 원자론에 대한 몇 가지 증거입니다.
첫째, 지속적 비교의 법칙입니다.
비교 법칙은 원소들이 결합하여 화합물을 만들 때, 생성된 화합물은 같은 질량비를 가진다는 것을 나타냅니다. 예를 들어 소금을 생각해 보세요. 우리가 보는 소금은 소금 분자(NaCl)로 이루어진 화합물입니다. 자연적으로 소금 분자는 항상 나트륨(Na) 23부분과 염소(Cl) 35부분으로 구성됩니다.
연속체 이론으로는 설명할 수 없지만, 원자 이론으로는 설명할 수 있습니다. 원자 이론에 따르면 원자는 원소의 가장 작은 단위이므로 질량을 가지고 있습니다. 화합물을 구성하는 원소들의 질량비는 그 화합물을 이루는 원자들의 상대적인 질량과 관련이 있습니다. 과학자들은 화합물을 구성하는 각 원소의 개수를 바탕으로 원자들의 상대적인 질량을 결정합니다. 이 질량이 상대적이라고 하는 이유는 한 원소의 상대적인 질량이 다른 원소 원자들의 상대적인 질량과 비교되기 때문입니다.
수소는 가장 가벼운 원자이므로 기준점으로 사용됩니다. 수소 원자(H)의 상대 질량은 1로 설정됩니다. 수소 원자의 상대 질량을 기준으로 탄소 원자(C)의 상대 질량은 12로 설정됩니다.
산소 원자(O)의 상대 질량은 16으로 지정되며, 다른 원자들도 마찬가지입니다(주기율표 참조). 탄소 원자의 상대 질량이 12라는 것은 탄소 원자 하나의 질량이 수소 원자(H) 하나의 질량보다 12배 크다는 것을 의미합니다. 마찬가지로 산소 원자의 상대 질량이 16이라는 것은 산소 원자 하나의 질량이 수소 원자(H) 하나의 질량보다 16배 크다는 것을 의미합니다.
국제 단위계(SI)에는 질량 표준물질로 이리듐-플래티넘이 있으며, 이는 프랑스의 국제 중량 및 크기 기구에 보관되어 있습니다. 국제 협약에 따라 이리듐-플래티넘의 질량은 1kg으로, 이것이 표준 킬로그램입니다. 원자 규모에서는 또 다른 질량 표준물질로 탄소 원자 12C가 있습니다. 국제 협약에 따라 탄소 원자 1개의 질량은 12,0000 U(통일 원자 질량 단위)입니다.
1 u = 1.66 x 10⁻²⁷ kg.
탄소 원자(C) 1개의 질량은 12.0000 u, 수소 원자(H) 1개의 질량은 1,0078 u, 산소 원자(O) 1개의 질량은 15.9994 u, 나트륨 원자 1개의 질량은 22.9897 u 등입니다. 원자 질량에 대한 자세한 내용은 주기율표에서 확인할 수 있습니다.
원자 질량 외에도 분자량이라는 것이 있습니다. 분자량은 분자를 구성하는 원자들의 총 질량입니다. 예를 들어, 소금 분자(NaCl)의 질량은 나트륨 원자(Na) 1개의 질량과 염소 원자(Cl) 1개의 질량을 더한 값입니다. 물 분자(H₂O)의 질량은 수소 원자(H) 2개의 질량과 산소 원자(O) 1개의 질량을 더한 값입니다.
두 번째, 갈색 움직임
고대 영국에 로버트 브라운이라는 생물학자가 살았습니다. 그는 물에 넣은 꽃가루를 연구하고 있었습니다(1827년). 물과 꽃가루는 현미경으로 관찰할 수 있습니다. 브라운은 꽃가루가 스스로 움직이는 것을 보고 신기해했습니다. 꽃가루가 움직이는 것은 놀라운 일이었습니다. 꽃가루의 움직임 방향은 일정하지 않지만, 끊임없이 움직였습니다. 그는 꽃가루가 마치 생명체처럼 움직이기 위해 어떤 생명체가 존재하는 것이 아닐까 생각했습니다. 하지만 그의 생각은 틀렸습니다. 꽃가루와 같은 작은 유기 입자는 물에 넣으면 움직이기 때문입니다. 이러한 움직임을 브라운 운동이라고 합니다.
이 발견은 운동론이 발전하기 전까지는 설명할 수 없었다.
운동론
운동론은 '움직이다'라는 뜻의 그리스어입니다. 운동론은 모든 물질은 원자 또는 분자로 구성되어 있으며, 원자 또는 분자는 끊임없이 무작위로 움직인다고 주장합니다.
움직일 때 원자나 분자는 속도를 가져야 합니다. 원자나 분자는 질량도 가지고 있습니다. 질량(m)과 속도(v)를 가지고 있기 때문에 원자나 분자는 운동 에너지(EK)와 운동량(p)을 갖습니다. 운동 에너지: EK = 1/2 mv² 그리고 운동량: p = mv 운동량 외에도 힘이 작용합니다. 움직이는 동안에는 충돌이 발생할 가능성이 있습니다. 따라서 충돌이 발생할 때 운동량의 변화 때문에 힘이 발생합니다.
운동론은 운동 에너지, 운동량, 그리고 힘에 기반을 두고 있다고 할 수 있습니다. 이 세 가지는 운동 역학(뉴턴의 법칙, 충격량, 운동량의 법칙)에서 연구되는 주제입니다. 운동론의 차이점은 운동론에서는 역학을 원자나 분자 수준에서 적용한다는 것입니다. 운동론은 보일(1627-1691), 다니엘 베르누이(1700-1782), 줄(1818-1889), 크로니히(1822-1879), 루돌프 클라우지우스(1822-1888), 그리고 클러크 맥스웰(1831-1879)에 의해 발전되었습니다.
이 운동론의 존재는 브라운의 발견을 설명할 수 있다. 운동론에 따르면, 꽃가루는 빠르게 움직이는 물 분자에 의해 움직인다. 물 분자의 수가 엄청나게 많기 때문에 꽃가루는 여러 방향에서 밀려난다.
일정 비교 법칙과 원자 운동의 발견에 기반하여, 원자 이론은 과학자들 사이에서 점점 더 신뢰받고 있습니다. 원자는 모든 물질의 가장 작은 입자입니다. 따라서 원자는 크기를 가지고 있습니다. 그렇다면 원자의 크기는 얼마일까요?
1905년 아인슈타인은 원자의 크기를 이론적으로 연구했습니다. 원자 이론, 운동론, 그리고 실험을 통해 얻은 데이터를 바탕으로 원자의 지름이 약 10⁻¹⁰ 미터라는 것을 밝혀냈습니다 . 이로써 원자의 지름은 계산을 통해 얻어졌으며, 원자의 크기가 측정됨으로써 원자 이론과 운동론이 인정받게 되었습니다.
