재밌지만 쓸데없는 과학교실(4)
결합과 분리의 에너지_전자기력(4)
복습하자면 원자끼리 결합하는 이유는 원자가 가지는 전자의 층계 때문입니다. 물과 같이 분자끼리 뭉쳐있거나 소금을 녹이는 힘은 분자가 가진 극성 때문입니다.
오늘의 질문과 대답도 큰 틀에서는 새롭지 않습니다. 이 결합에 관여한 힘에 대한 이야기 이기 때문입니다. -극성을 가진 한알갱이의 전자의 인력과 척력은 미미하지만 크기가 매우 작기 때문에 좁은 공간에 무척 많이 모일 수 있습니다. 우리 몸을 구성하는 세포수는 헤아릴 수도 없이 많고 그 하나의 세포를 이루는 원자와 전자의 개수는 더욱더 많기 때문입니다. 전자기력의 힘은 매우 강력합니다. 우리가 벽을 통과할 수 없고 비행기가 날 수 있고 우리 몸이 구성되고 그 몸이 땅 위에 서있을 수 있는 이모 든 것에 전자기력이 크게 관여합니다. 우리가 직관적으로 보는 거시세계는 바로 이 전자기력의 힘에 큰 영향을 받습니다.
큰 세계를 우리는 직관적으로 이해할 수 있지만 자세히 보면 조금은 다른 세계가 펼쳐집니다. 다시 원자를 이루는 원자핵과 전자구름에 대해 알아봅시다.
원자핵은 양성자+와 중성자로 이루어져 있으며 +의 극성을 가지고 그와 균형을 맞춰 -극성을 가진 전자와 짝을 이루고 있습니다. 원자가 얼마나 무겁냐는 바로 원자핵의 양성자와 중성자의 무게로 결정됩니다(전자는 거의 무게가 없음). 앞서 말한 우주의 법칙으로 원자핵을 주위를 회전하는 전자의 개수나 궤도는 딱 정해져 있고 무척이나 빠르게 회전하고 있습니다.
힘이란 건 속도와 무게입니다. 같은 속도의 볼링공과 야구공이 가지는 힘의 크기는 다릅니다. 둘이 충돌하면 볼링공의 궤도는 거의 바뀌지 않을 것입니다. 그러나 야구공이 빛의 속도로 부딪히면 이야기가 다릅니다. 전자는 무게가 거의 없지만 빛의 속도로 움직입니다. 그 엄청난 속도로 움직이는 전자를 특정궤도를 벗어나지 않게 붙잡아두는 건 원자핵의 +극과 전자의 -간의 인력입니다. 그리고 전자끼리의 움직임과 궤도는 전자끼리 (-극성들 간)의 척력으로 결정됩니다. 지구(원자핵)에 두 개 이상의 달(전자)이 돌고 있는 것과 같은 모양입니다. 그리고 이 달은 서로 밀어내는 힘이 있어 궤도 안에는 있지만 서로 정반대에 위치하게 됩니다 그래서 태양주위를 도는 지구, 수성, 화성 처럼 단순한 궤도를 가지지 않습니다. 위의 그림처럼 아주 요상한 모양을 가집니다. 우리 행성은 극성을 가지고 서로 밀어내지 않지만 전자사이에는 척력이 작용하기 때문입니다
실제 원자에 적용하면 이 달(전자)의 크기는 어마어마하게 작고 지구(원자핵)와의 거리도 엄청나게 멉니다. 첫 번째 질문에서 살펴본 것처럼 원자를 서울 크기로 확대하면 원자핵은 축구공 만하고 전자는 그 주위를 도는 먼지 수준의 크기입니다. 다만 이 먼지가 빛의 속도로 큰 에너지를 가지고 있습니다.
자 이제 질문 들어갑니다
4. 결합과 분리에는 왜 에너지가 필요할까?
결합이나 분리가 되는 경우에는 전자가 재배치(전자의 궤도가 바뀜)가 되는데 그때 에너지가 필요하거나 에너지가 방출되지만 그 허들이 존재합니다. 다만 이 허들 뒤에 절벽이 있는지 산이 막고 있는지는 다른 문제입니다.
기존의 상태가 유지되는 이유는 그 허들 안에서 안정적인 상태이기 때문입니다. 궤도 안에서 열심히 돌고 있는 전자가 균형을 이루고 있기 때문입니다. 결합이 형성되거나 깨질 때 에너지가 관여하는 이유는 입자 간의 상호작용을 안정화하거나 불안정하게 만들기 때문입니다.
결합이 형성될 때는 안정된 상태로 이동하면서(허들 뒤 절벽을 만나면) 에너지가 방출됩니다.
예: 수소(H₂)와 산소(O₂)가 결합해 물(H₂O)을 형성하면 열과 빛 에너지가 방출됩니다. 반대로, 결합을 깨려면(허들 뒤 산을 넘으려면) 에너지를 투입해야 합니다. 이 과정은 결합을 안정적으로 유지하는 힘을 극복해야 하기 때문입니다.
예: 물(H₂O)을 전기분해하려면 전기 에너지가 필요합니다.
벽을 통과하지 못하는 이유는 전자기력이 전자를 빠르게 밀어내기 때문입니다. 입자가 결합하거나 결합하지 않는 이유는 전자의 배치와 에너지 상태에 따라 달라집니다.
물이 더 많은 물질을 녹이는 이유는 물의 극성이 만들어내는 강한 상호작용 덕분입니다.
결합과 분리가 에너지를 필요로 하는 이유는 입자 간의 상호작용을 극복하거나 안정화하는 데 에너지가 필요하기 때문입니다.
다음 에피소드에서는 우리가 흔히 접하는 현상이 일어나는 과학적 원리와 더 큰 시스템으로 발전하는 과정을 알아보겠습니다.
