이온화 과정으로 본 자연현상

모든 분자는 다양한 원자들의 조합으로 이루어져 있고 원자는 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵과 전자로 이루어져 있습니다. 분자들이 에너지를 받아 매우 빠른 속도로 가속되면, 주변의 다른 분자들과 끊임없이 충돌을 하게 됩니다. 이 과정에서 분자의 구조가 불안정한 분자라면, 분자는 두 개 혹은 세 개의 작은 분자 조합으로 분리됩니다. 보통의 경우 이 과정이 이온화보다 더 잘 일어납니다. 그리고 안정된 상태의 분자라면 에너지를 받아 가속되고 다시 다른 분자와 충돌을 일으켜, 서로 하나의 분자가 되거나, 혹은 한쪽 분자의 전자가 떨어져 나가는 이온화 반응이 일어납니다. 그리고 두 가지 반응 외에도 매우 다양한 반응을 일으키게 됩니다.

예를 들어 만약 소수 기체와 산소기체가 같이 존재한다면 서로 간의 충돌을 통해 물분자가 생성될 가능성이 상당히 존재합니다. 또한 일반적으로 기체 분자의 경우 두 개의 원자로 구성된 이원자 분자가 흔하며, 이 경우 따로 각각의 원자로 떨어지기보다는 하나의 이원자 분자에서 전자가 떨어져 나가는 반응이 흔히 일어나고, 이를 이온화 반응이라고 합니다.

전자에 대해 이야기를 하자면, 일반적으로 분자를 이루는 원자 주변으로 전자는 끊임없이 일정한 공간을 갖고 존재합니다. 존재한다라고 표현한 것은 하이젠베르크의 불확정성 원리에 의해, 전자는 관측자의 관측 행위에 의해 즉, 빛 에너지에 의해 전자의 운동량은 크게 영향을 받기 때문에, 정확한 운동량을 관측할 수 없고 이에 따라 원자 내에서 전자의 특정한 위치를 찾는다는 것은 불가능한 일입니다. 따라서 원자 내에서 전자는 어떤 궤도 내에서 어떻게 운동하며 어디에 있다라고 표현할 수 없으며, 대략적으로 어디쯤에 확률적으로 존재할 가능성이 높다라고 표현해야 합니다. 이것이 각 에너지 준위를 갖는 전자껍질인 오비탈의 정확한 개념입니다.

그러나 실제 전자는 운동량을 갖는 물체입니다. 따라서 에너지를 갖고 원자 주위를 운동하고 있지만 우리가 그것을 관측할 수 없을 뿐입니다. 높은 에너지를 갖는 분자는 주변과 충돌에 의해 더 높은 에너지를 가질 가능성이 있으며, 많은 양의 에너지는 분자를 이루는 원자에 전달되어 원자를 크게 진동시키게 됩니다. 원자의 진동은 당연히 원자핵의 진동과 전자의 운동 및 진동을 의미하며, 전자가 높은 에너지를 갖고 운동을 하게 될 가능성이 높아집니다.

높은 에너지를 갖는 전자는 현재의 위치에너지를 갖는 오비탈을 벗어날 가능성이 높아지고, 상대적으로 더 높은 준위의 오비탈로 옮겨 가게 됩니다. 일반적으로 하나의 오비탈에 존재할 수 있는 전자의 수는 일정하며, 하나의 전자가 더 높은 준위의 오비탈로 옮겨갈 경우, 그곳의 전자들은 불안정해집니다. 결국 더 높은 준위의 오비탈에 초과된 전자는 다른 오비탈로 다시 이동하게 되고, 결국 마지막 오비탈의 전자가 원자핵의 인력을 벗어나 원자 밖으로 전리됩니다. 그러나 위와 같은 메커니즘의 이온화 반응은 초기반응입니다.

기체 내에서 이온화된 전자가 충분히 존재를 할 경우, 전자 자체가 이온화의 촉매가 됩니다. 매우 크기가 작으며 높은 운동에너지를 가진 전자가 사방팔방으로 운동을 하며, 다른 분자의 전자에 충돌을 통해 에너지를 전달하여 그 분자의 전자를 전리시킵니다. 이렇게 새롭게 생긴 전자는 수많은 다른 분자들을 이온화시키게 되며, 위 과정은 연쇄 과정을 통해 폭발적으로 일어나게 됩니다.

하지만 전자의 생성만 있는 것은 아닙니다. 전자는 운동에너지를 갖고 운동을 하다 충돌을 통해 에너지를 일정 부분 잃게 되면, 다른 양전하를 띠고 있는 이온과 결합해 중성화됩니다. 분리된 전자의 생성과 소멸이 균형을 이루게 되는 시점이 생기게 되고, 전체적인 분자와 비교해 분리된 전자가 1% 이상 존재할 때, 위 기체를 플라즈마 상태라고 할 수 있습니다.

흔히 이온화 현상을 소금을 물에 녹이는 과정으로만 이해하기 쉬우나, 이온화 현상은 자연계에서 쉴 새 없이 이루어지고 있는 현상입니다. 지금 우리가 숨을 쉬고 있는 대기 중에도 이온화 현상은 끊임없이 일어나고 있습니다. 하지만 이온화 현상이 발생한다 하더라도 금세 다시 중성화 과정이 일어나고 있어, 특정한 순간에서의 이온화된 분자의 비율이 극히 낮을 뿐입니다.

물론 플라즈마를 물체의 또 다른 상태로 이해해야 하지만, 에너지를 갖는 기체의 연속성 위에 있습니다. 마찬가지로 수증기 역시 물분자의 액체와 기체의 중간 정도의 특성을 갖는 상태라고 볼 수 있습니다. 결과적으로 나타는 현상만으로 모든 것을 설명해서는 안 되며, 그 과정에서 일어나고 있는 미시적인 분자나 원자 수준에서의 운동도 이해를 하고 있어야 합니다. 특성을 나누어서 현상을 이해하는 것은 우리에게 매우 큰 인식의 확장을 가져다줍니다. 하지만 이산적인 형태로서 끊어서 자연에서 발생하는 현상을 모두 설명할 수 없습니다. 두 가지 모두 제대로 이해해야 자연현상의 본질을 이해할 수 있습니다.