원자의 작용은 전자의 작용

1. 원자

원자는 원자핵과 전자로 구성된다. 원자핵은 전자 질량의 2000배나 되는 중성자와 양성자가
핵력으로 결합한 상태입니다. 가벼운 전자는 무거운 원자핵 주변에 구름처럼 분포합니다.
양자역학에서 전자는 공간 좌표의 확률분포를 함수로 표현되기 때문에 원자핵 주위 공간에
전자가 존재할 확률을 계산할 수 있습니다. 
전자가 존재할 확률이 시간에 따라 변화하여 전자가 원자핵 둘레를 원운동 한다고 해석할 수도
있습니다. 

수소 원자는 전자가 1개, 탄소는 전자가 6개, 우라늄 원자는 전자가 92개입니다.
탄소 원자의 전자는 원자핵에 가까운 안쪽 궤도인 1s 궤도에 존재하는 전자 2개가 
원자핵과 강하게 결합하기 때문에 다른 원자와 상호작용하지 않습니다. 탄소 원자의
바깥쪽 궤도는 2s 2개, 2p 2개이므로 외각 전자는 4개입니다. 이러한 외각 전자들이 원자핵의
정전기적 구속력이 약해서 다른 원자들과 결합하는 전자인 원자가 전자가 됩니다.
원자와 원자가 공유결합해 분자를 형성하는 데 기여하는 전자는 외각의 원자가 전자들입니다.
공유결합의 세기는 전자 분포 함수가 중첩될수록 더 강해집니다. 

수소 원자핵은 중성자가 없고 양성자가 1개뿐입니다. 우주에서 별은 대부분 수소로 되어 있습니다.
우주에서 압도적으로 많은 원소가 바로 수소입니다. 지구에서 수소는 산소와 결합하여 물 분자가
되거나 탄소와 결합하여 수백만 종류 이상의 다양한 탄화수소 분자를 생성합니다. 석유와 세포막의
지질은 모두 탄화수소입니다. 

pH 값이 낮으면 강산이 됩니다. 위산은 양성자 농도가 높아서 pH가 약 2(1.5~3.5)인 강산입니다. 양성자를
방출하는 물질이 많아지면 주변 환경이 산성화됩니다. 해양 산성화, 토양 산성화, 인체 산성화 모두 양성자
농도가 높아져서 생물이 생존하기 힘든 환경으로 바뀌는 현상입니다. 다양한 현상의 배후에 일관된 하나의
원리가 작동하는 과학은 자연현상을 통합적으로 설명해줍니다. 원자로 구성되는 물질의 특성은 주기율표의
원자 배치에 잘 나타납니다.

 

 

2. 주기율표

 

주기율표는 원소들을 양성자의 숫자 순으로 질서 있게 배치한 것입니다.
양성자가 1개인 수소 원자에서 양성자를 1개씩 더해가면 주기율표의 모든 원소가 생겨나기 때문입니다.

완벽하게 동일한 전자와 양성자가 세계의 무한한 다양성을 만들었습니다.
같음에서 출발해 다름을 생성합니다. 그 다름은 겉보기 혹은 드러난 현상에서의 다름일 뿐 본질은 모두 같습니다.
동일한 원자의 다양한 배열 패턴이 존재할 뿐입니다.

원자핵은 양성자와 중성자가 핵력으로 결합한 상태입니다. 핵력 혹은 원자력은 양성자들이 핵 크기보다 작은 
거리로 거의 닿을 듯이 접근해야만 작동하는 힘입니다.
양성자가 다른 입자로 붕괴하는 평균 시간인 양성자의 수명은 아직 측정되지 않았지만, 최소한 우주의 나이인
138억 년보다 수명이 훨씬 길거나 거의 무한대일 것으로 추정됩니다.
그래서 양성자는 전자와 함께 안정된 원자를 만들어서 꽃, 바위, 별을 만듭니다.

양성자의 구성 요소는 쿼크(quark)다. 쿼크는 3세대가 존재하는데, (u, d), (c, s), (t, d)로 표현합니다.
1세대 쿼크는 업(up)과 다운(down)이며, 2세대 쿼크는 참(charm)과 스트레인지(strange)이고, 3세대 쿼크는
탑(top)과 바텀(bottom)이다.
자연에서 존재하는 쿼크가 3개의 세대로 구분되는 근본 이유는 아직 밝혀지지 않았지만, 이것이 소립자의 고유한 특성이다.
2세대와 3세대 쿼크는 입자가속기 속에서 생성되는 즉시 찰나적으로 존재했다가 곧 에너지가 낮은 다른 입자로 붕괴한다.
그래서 향상 존재하는 자연의 물질들은 모두 1세대 쿼크인 업쿼크와 다운쿼크로 구성된다. 
그리고 2세대와 3세대 쿼크는 입자가속기 속에서 생성되는 즉시 찰나적으로 존재했다가 곧 에너지가 낮은 다른 입자로 붕괴한다.

무거운 입자인 중입자는 하드론(hadron)과 메손으로 구분되는데, 하드론(hadron)은 3개의 쿼크가 결합한 상태입니다.
양성자는 3개의 쿼크가 강한 상호작용으로 결합한 하드론 이고, 중성자는 3개의 쿼크가 결합한 하드론(hadron)입니다.
메손은 쿼크와 반쿼크가 결합하여 만들어진 전기 중성의 입자다. 쿼크를 결합하는 입자를 글루온이라 하는데,
8개의 글루온은 색깔로 구별한다. 글루온에 의해 쿼크가 결합하는 과정을 양자색역학이라 하는데, 이 이론으로
강한 상호작용을 설명할 수 있습니다. 전자와 광자는 그 자체로 더 이상 구성 요소가 없는 소립자이지만 양성자는
쿼크라는 소립자로 구성된 강입자입니다. 자연현상을 설명하려면 쿼크보다 양성자에서 시작하는 것이 좋다.
파란 하늘, 아지랑이, 잔잔한 호수는 모두 전자, 양성자, 광자의 다양한 상호작용이 빚어낸 거대한 집합체입니다.

진공 속에서 광자는 광속인 초속 30만 킬로미터로 달린다. 움직이는 광자는 운동에너지 그 자체입니다.
광자의 정지 질량은 제로이므로 진공 속에서 정지한 단 1개의 광자 상태는 존재하지 않습니다. 광자는
생겼다 사라질 수 있지만 생겨나는 순간 광속으로 달린다. 광자가 일정한 속도로 멈춤 없이 달리는 이유는 등속 직선 
운동에 드는 에너지가 제로이기 때문입니다.

광자는 운동 방향을 바꿀 때만 에너지가 필요하다. 같은 방향으로 같은 속도로 달리면 에너지가 전혀 소모되지 않기 
때문에 장애물만 없으면 영원히 달리 수 있다. 광자가 생성되는 데는 에너지 변환 과정이 필요하지만, 생성된
광자는 광속으로 움직이는 운동에너지 그 자체입니다. 진공 속에서 움직이지 않는 광자는 운동에너지가 제로가 되어
그 존재가 사라진다. 그래서 광자의 정지 질량 값은 제로이다. 광속으로 움직이는 광자가 바로 전자기파인데, 줄여서
전파라 한다. 전자기파는 파동이므로 진폭과 진동수로 에너지 정도를 알 수 있습니다.

광자의 진동수 V와 광자의 에너지 E의 관계가 바로 E=Hv 인데, 여기서 H는 플랑크 상수다. 
플랑크 상수가 수식에 등장하면 그 현상은 모두 미시세계의 양자역학으로 기술됩니다.
그래서 빛의 본질도 양자역학에 의해 비로소 밝혀졌습니다. 광자는 물질 속에서 달리면 속도가 느려집니다.
반도체와 기체 속에서는 증폭되어 레이저가 됩니다. 인간의 망막세포에 흡수되면 전압 펄스로 바뀌어 대뇌피질
신경세포의 작용을 받아 우리에게 세계를 볼 수 있게 해줍니다. 우주 대부분은 진공입니다.
진공 속을 달리는 광자에서는 시간의 흐름이 멈춘다. 광속도가 되면 빛이 진행하는 공간은 수축해 사라집니다.
광자의 속도가 광속이 되는 순간 우리가 광자의 시계를 본다면 그 시계는 정지해 있습니다. 광속으로 달리면 진행
방향의 공간이 사라지고 시계는 멈춥니다. 광자의 반짝이고 사라짐은 시공의 사건 그 자체입니다.
빛은 움직이는 에너지 덩어리 그 자체이고, 정지하는 순간 그 존재는 사라집니다.

 

 

3. 생명의 근원

 

광자의 생성과 소멸이라는 드라마가 펼쳐지는 무대가 바로 식물 잎 속 엽록소입니다. 
빛 입자의 운동에너지가 포도당 분자를 생성하는 과정이 바로 광합성입니다.
초록색 잎을 쓰다듬는 빛 알갱이의 눈부신 움직임으로 지구 표면에서 생명의 물결이 순간 만들어집니다. 빛의 
깜박임을 4차원 시공에서 사건(event)이라 하는데, 사건과 사건 사이의 간격을 계산하면 시공의 곡률을 알 수
있습니다. 일반상대성 이론의 중력장 방정식으로 4차원 시공에서 사건들 사이의 간격을 계산할 수 있습니다.
우주 속 모든 입자는 시공의 곡률을 따라 움직입니다.