원자 개념의 역사

안녕하세요.

제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.

중학과정 화학 공부를 시작하면서 우리는 고대부터 현대까지의 물질관에 대해 공부해보았습니다. 수많은 철학자와 과학자들이 세상을 이루는 물질의 기본 성분에 대해 연구했지요.

● 시대에 따른 물질관의 변화

당연히 물질을 구성하는 기본 입자인 '원자'에 대한 개념도 많이 바뀌어왔습니다.

이번 시간에는 원자 개념의 역사에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

*** 입자설 vs 연속설 (고대)

■ 입자설 - 데모크리토스 [Dēmokritos, BC 460? ~ BC 370?]

고대 그리스의 철학자, 과학자인 데모크리토스는 고대 원자론을 완성시킨 인물입니다.

데모크리토스는 모든 물질은 더 이상 쪼개지지 않는 입자로 이루어져 있다고 주장했습니다. 그리고 세계는 이 입자와 입자 사이의 빈 공간으로 구성된다고 했지요.

이 주장을 '입자설'이라고 합니다.

데모크리토스는 이를 바탕으로 자연과 문화의 발달을 설명했고, 사람의 영혼과 지식 또한 원자로 만들어졌다고 주장했으며 인간의 삶의 목적은 '행복'이라고도 주장했습니다.

하지만 데모크리토스의 이 생각은 너무 진보적이어서 그 당시에는 인정받지 못했다고 합니다.

데모크리토스의 입자설은 근대에 와서 다시 인정을 받게 된답니다.

■ 연속설 - 아리스토텔레스 [Aristotelēs, BC 384 ~ BC 322]

아리스토텔레스는 데모크리토스와 정반대의 원자 개념을 주장했습니다.

더 이상 쪼개지지 않는 입자가 있고, 그 사이에 빈 공간이 있다고 주장한 데모크리토스와는 달리 물질은 계속 쪼개면 없어질 수 있으며, 세계는 빈 공간 없이 가득 차 있다라고 주장했습니다.

이 주장을 '연속설'이라고 부릅니다.

사실 이 주장은 현대의 개념으로 보면 틀린 주장이지요. 하지만 당시에는 데모크리토스의 입자설보다 아리스토텔레스의 연속설이 인정을 받았답니다. 두 철학자가 주장한 원자 개념의 차이에 대해서 꼭 알아두세요.

*** 보일의 J자관 실험 - 입자설의 부활 (근대)

로버트 보일[Robert Boyle, 1627~1691]은 아일랜드의 과학자입니다.

'온도가 일정할 때 기체의 부피와 압력은 반비례한다'라는 '보일의 법칙'으로 유명하죠.

산과 염기를 구분하는 리트머스 시험지도 보일이 발명해냈답니다. 정말 대단한 과학자죠?

보일은 실험을 통해 기존에 정설로 여겨졌던 '연속설'을 깨고 데모크리토스의 '입자설'을 입증했습니다. 바로 J자관 실험인데요, 간단한 그림으로 이 실험의 의미에 대해 알아보겠습니다.

보일은 이렇게 J모양으로 생긴 유리관에 수은을 넣었습니다. 수은의 처음 높이를 측정한 다음 다시 수은을 더 넣어주는 실험을 합니다.

만약 아리스토텔레스가 주장한 것처럼 입자가 없고, 세계에 빈 공간이 없다면 J자관에 수은을 넣어주었을 때 아래 그림과 같은 결과가 나왔을겁니다.

J자관의 왼쪽 공간은 빈 공간 없이 가득 차 있기 때문에 수은을 더 넣어주더라도 부피가 줄어들지 않겠지요.

하지만 실제 결과는 아래와 같습니다.

J자관에 왼쪽, 막혀있는 공기의 부피가 줄어들고, 수은의 높이가 높아졌지요? 생각해보면 당연한 결과라고 생각할 수 있겠지만 이 실험에서 우리가 생각해야할 포인트가 있습니다.

유리로 막혀있는 공간의 부피가 압력으로 줄어들었다는 것은 '공기를 이루는 입자가 있고, 그 사이에 빈 공간이 있다'라는 것을 증명할 수 있는 중요한 실험 결과입니다. 그림으로 그려보면 이런 모형으로 나타낼 수 있겠지요.

공기는 입자로 이루어져 있고, 그 사이에 빈 공간이 있어서 압력을 가하면 입자사이의 거리가 줄어들고 공기의 전체 부피는 줄어들게됩니다.

보일은 이 J자관 실험을 통해 데모크리토스가 주장했던 입자설을 부활시킵니다. 멋지죠?

■ 우리 생활 속 입자설의 증거

사실 입자설을 증명할 수 있는 현상은 우리 주위에서 쉽게 발견할 수 있습니다.

▶ 풍선을 불어 묶어두어도 시간이 지나면 점점 작아진다

- 풍선을 이루고있는 입자 사이로 더 작은 공기 입자가 빠져나가기 때문입니다.

▶ 물(100mL)와 에탄올(100mL)을 섞으면 200mL보다 부피가 작다

- 물과 에탄올은 입자 크기가 달라서 큰 입자 사이에 작은 입자가 끼어들어가기 때문입니다. 골프공과 비비탄을 함께 섞는다고 생각해보세요.

▶ 금속박은 무한대로 얇게 만들 수 없다

- 아무리 두드려도 금속을 이루는 입자의 크기보다 얇게 만들 수 없겠지요.

*** 돌턴의 원자설 (현대)

돌턴[John Dalton, 1766~1844]은 영국의 유명한 과학자입니다.

현대적 원자 개념을 처음으로 확립한 사람이죠. 돌턴은 원소(elements)를 위 그림처럼 원과 기호를 사용해서 표현하기도 했습니다.

그럼 돌턴이 주장했던 원자설에 대해서 알아봅시다.

★ 돌턴의 원자설

1) 모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 원자로 이루어져 있다.

2) 같은 종류의 원자는 크기와 질량이 같고, 다른 종류의 원자는 크기와 질량이 다르다.

3) 원자는 없어지거나 새로 생기지 않으며, 다른 종류의 원자로 변하지 않는다.

4) 서로 다른 원자들이 일정한 개수비로 결합하여 새로운 물질이 만들어진다.

그림과 원자설의 내용을 꼭 짝지어 공부해주세요 ^^

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지금까지 물질을 이루는 입자인 원자 개념의 역사를 살펴보았습니다. 아리스토텔레스의 연속설이 깨지고 데모크리토스의 입자설이 부활한 것처럼 과학 이론이나 가설은 언제든지 바뀔 수 있다는 매력이 있습니다. 여러분도 항상 호기심을 가지고 주위에 일어나는 과학 현상을 새롭게 관찰해보시기 바랍니다.

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