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우리 인간은 주변 환경에서
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여러가지 물질을 알고 있었죠.
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서로 다른 물질들은
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...서로 다른 성질을 갖게 마련입니다.
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서로 다른 성질을 가질 뿐아니라;
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어떤 물질이 특정한 방향으로 빛을 반사하거나
혹은 전혀 반사하지 않는 성질같은 것들 말입니다.
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혹은 특별한 색을 띄거나 온도를 가져
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액체 상태로 존재하거나 기체 또는 고체 형태로 존재하기도 합니다.
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반면에 어떤 환경에서는 서로 반응하여
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그런 반응이 어떻게 일어나는지 관찰되기도 합니다.
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여기 몇몇 물질의 사진이 있습니다.
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여기 이것은 탄소구요, 이것은 그래파이트 형태의 탄소죠.
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여기 이것은 납이구요: 이쪽 오른쪽에 있는 것은 금이에요.
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제가 그린 이 모든 것들, 여기 사진으로 보여드린 이것들 모두는
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저쪽에 보시는 웹사이트에서 얻은 것입니다.
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이들 모두는 고체 형태로 존재하지만,..
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우리는 그 안에 어떤 형태로든 극소량의 공기도 들어 있다는 점을 알고 있죠
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아시다시피 공기 분자의 형태로 말이죠.
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그리고 여러분이 들여다 보고 있는 공기 입자가
어떤 형태를 띄고 있는가에 따라
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그것이 탄소든 산소든 혹은 질소든
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서로 다른 성질을 띄고 있습니다.
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때로는 액체 형태로 볼 수 있는 다른 것들도 있는데
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이런 것들은 온도를 충분히 높힐 수 있죠.
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금이나 납의 온도를 충분히 높이면
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액체 형태를 띄게 됩니다.
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탄소를 태우면
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기체 형태로 만들 수도 있구요.
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다시 그것을 대기중으로 날려 보낼 수도 있습니다.
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공기 구조에서 탄소를 떼어내는거죠.
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여기에 우리 인류가
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수천년 동안 봐 온 것이 있습니다.
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하지만 이것은 자연스럽게
다음과 같은 질문으로 이끌게 되죠.
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이런 것은 한 때 철학적인 의문이었는데요
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지금은 좀 더 나은 답을 가지고 있죠.
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그 질문이란, 이 탄소를
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더 작게 계속해서 잘라서
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그래서 매우 작은 덩어리까지
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탄소의 가장 작은 단위를 찾아낼 수 있는가? 하는 질문이죠.
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여전히 탄소의 성질을 띄고 있는 범위에서 말입니다.
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그런데 만일 그 보다 더 작은 물질로 자를 수 있다면
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탄소의 성질은 없어질까요?
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그 답은: 여기에 있어요.
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용어를 정리해보죠.
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특정한 온도에서 특별한 성질을 띄기도 하고
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특정한 방식으로 반응하기도 하는
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이 순수한 물질을
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원소라고 부르기로 하죠.
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탄소, 납, 금 이런 것들은 모두 원소입니다.
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여러분들은 물도 원소라고 하고 싶으시겠죠?
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역사적으로는 물도 원소라고 했던 때가 있습니다.
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그러나 지금은 물이 그 보다 더 작은 기본 원소로
만들어 졌다는 것을 알고 있습니다.
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물은 산소와 수소로 만들어졌죠.
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여기 모든 원소가 나열되어 있습니다.
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주기율표라고 하죠.
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C 는 탄소를 뜻하구요.
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-- 제가 인간과 관련이 깊은
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원소들만 짚어보도록 하겠습니다.--
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시간이 가면서 아마도 여러분들도
여기 모든 원소들에 점점 익숙해질 것입니다.
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이것은 산소, 이것은 질소. 그리고 이것은 실리콘이에요.
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여기 이것 --Au 는 금을 뜻하고 이것은 납이죠.
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이런 원소들의 더 기본적인 단위는 원자입니다.
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이런 식으로 계속 파고 들어가서
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계속해서 더 작은 조각을 생각해보죠.
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결국에는 탄소 원자와 만나게 됩니다.
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여기에도 같은 방법을 적용해보죠.
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결국에는 금 원소를 얻게 됩니다.
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여기에도 같은 방법을 적용해 보면
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결구에는 이렇게 작은
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-- 더 나은 표현이 없어요 -- 입자를 얻게 되죠.
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납 원자라고 부릅니다.
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여기서 더 이상 작게 자르는 것은 불가능한데요
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여전히 납이라고 할 수 있습니다.
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여전히 납의 성질을 띄고 있기 때문이죠.
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생각의 범위를 좀 더 넓혀보죠.
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-- 이것은 정말 상상하기조차 어려운 것인데요 --
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원자는 믿을 수 없을 만큼 작아요.
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정말 상상조차 할 수 없이 작은거죠.
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예를들어, 탄소를 생각해보죠.
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제 머리카락도 탄소로 되어 있습니다.
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사실은 저의 몸 대부분이 탄소로 이루어져 있어요.
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실제로 생명이 있는 대부분의 개체들은
탄소로 이루어져 있습니다.
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그래서 제 머리카락을 들여다 보면 탄소로 만들어진거죠.
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제 머리카락 대부분은 탄소입니다.
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여기 제 머리카락을 보시면
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-- 제 머리카락은 노란색인데요
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검은색과는 아주 잘 대비가 되죠.
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제 머리카락이 검게 보이죠?
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그러면 화면에서는 잘 보이지 않습니다.
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그런데 머리카락을 뽑아 생각해보죠.
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몇 개의 탄소 원자크기로
제 머리카락 크기를 만들 수 있을까요?
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그러니까.. 제 머리카락의 단면을 보면, 길이가 아니라 단면이요..
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머리카락의 폭이라..
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그 폭에는 몇개의 탄소 원자가 있을까요?
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가늠해볼까요? 아~ 샐이 이미 그건 아주 작다고 말했군요.
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그래서 아마도 그 단면에는 수천개의 탄소 원자가 있을겁니다.
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어쩌면 만개 혹은 수십만개 일수도 있겠죠.
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제가 감히 말씀드리죠. 아닙니다!
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그 단면에는 약 백만개의 탄소 원자가 들어갑니다.
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평균적으로 사람의 마리카락 단면의 폭은
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약 백만개를 이어 놓은 정도랍니다.
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물론 그것은 개략적인 숫자입니다.
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정확하게 백만개는 아니란거죠.
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하지만 탄소 원자가 얼마나 작은지 짐작하게 해주죠.
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머리카락을 하나 뽑아보죠.
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그리고 어떤 것이든 그 안에 어떤 것을 백만개나
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서로 이어 집어 넣는다 생각해보세요.
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머리카락의 길이가 아니라 자른 단면의 폭 방향으로요.
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머리카락의 폭을 눈으로 확인하기조차 매우 어렵죠.
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그런데 그 안에 백만개나 되는
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탄소 원자가 있을 수 있다니요.
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정말 대단하죠.
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우리가 알고 있는 것은
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탄소를 이루는 가장 작은 단위가 있다는 것입니다.
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모든 원소의 가장 작은 단위
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그런데 더욱 대단한 것은
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그 작은 기본 단위들이 서로 연관이 되어 있다는 점입니다.
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탄소 원자는 그보다 훨씬 더 작은
기본 입자로 이루어져 있습니다.
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금 원자도 자신보다 더 훨씬 더 작은
기본 입자로 만들어져 있어요.
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원소는 실제로 이러한 기본 입자들이 나열된 것으로
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정의됩니다.
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만일
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그 기본 입자들의 수를 달리하면,
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그 원소의 성질이 바뀌게 됩니다.
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원소가 반응하는 방식
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심지어는 원소 자체도 바꿀 수 있게 됩니다.
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좀 더 자세히 알아보도록 하죠.
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그 기본 입자들에 대해서 말해 보겠습니다.
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여기 양성자(프로톤) 라는 게 있습니다.
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사실 양성자가
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-- 원자 핵에 있는 양성자의 수가
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핵에 대해서는 잠시 후에 다시 말씀드릴겁니다 --
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양성자의 수가 원소를 정하게 됩니다.
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이것이 원소를 특정하는거죠.
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여기 오른쪽의 주기율표를 보시면
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원소들은 원자번호의 순서대로 나열되어 있습니다.
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그리고 원자번호는
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문자 그대로 원소안에 있는 양성자의 수와 같습니다.
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그래서 정의를 따르면, 수소는 1개의 양성자를 가지고 있죠.
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헬륨은 2개, 탄소는 6개를 가지고 있어요.
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양성자 7개를 가진 탄소는 없습니다.
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만약 양성자를 7개 가지고 있다면 그것은 질소입니다.
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더 이상 탄소가 아닌거죠.
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산소는 모두 8개의 양성자를 가지고 있구요.
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만일 어떻게든 양성자를 한개 더하게 된다면
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그건 더 이상 산소가 아니에요.
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그렇게 되면 그것은 이제 불소에요.
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즉, 양성자의 수가 원소를 정합니다.
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원자번호는, 즉 양성자의 수는
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기억하세요 -- 양성자의 수입니다.
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양성자의 수는 여기 위쪽에 쓰인 숫자입니다.
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주기율표의 각 원자번호는
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-- 양성자의 수죠?
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양성자의 수와 같습니다.
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원자번호와도 일치하죠.
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사람들은 그 번호를 여기 위쪽에 쓰는데
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그 이유는 이 숫자가 원소의 특성을 정하기 때문입니다.
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원자를 이루고 있는 다른 두 물질은
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-- 아마 그렇게 부를 수 있을 듯한데요 --
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그 두 물질은 전자와 중성자입니다.
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여러분들의 머릿속에 그릴 수 있는 모형은
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-- 이 모형은 화학을 하면서 계속 보게 될텐데요,
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그 모형은 점점 더 추상화되어서
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점점 더 개념화하기가 어려워집니다.
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하지만 그걸 생각하는 한가지 방법은
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원자의 중심에는
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양성자와 중성자가 있다는 점입니다.
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이것들이 원자의 핵을 이룹니다.
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예를들어, 탄소는 6개의 양성자를 가지고 있죠.
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그래서 하나, 둘, 셋, 넷, 자섯, 여섯.
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탄소의 한 형태인 탄소12 원소는
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또한 6개의 중성자를 가지고 있습니다.
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탄소에는 또 다른 형태가 있는데
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중성자의 갯수가 다른 경우입니다.
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그래서 중성자의 수를 바꾸고
전자의 갯수를 바꾸어도
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여전히 같은 원소인 탄소입니다.
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양성자의 수는 바뀔 수가 없어요.
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양성자의 수를 바꾸면 다른 원소를 얻게 되는거죠.
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여기 탄소12 원소의 핵을 그려보겠습니다.
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하나, 둘, 셋, 넷, 다섯, 여섯.
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여기 이것이 탄소12원소의 핵입니다.
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경우에 따라서 이렇게 쓰기도 하죠.
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어떤 경우에는 실제로
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양성자의 수도 함께 쓰기도 합니다.
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그 입자를 탄소12 라고 부르는 이유는
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-- 제가 중성자는 6개라고 했죠
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그 이유는 12가 그 합이기 때문입니다.
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이 숫자를 양성자와 중성자의 합으로 볼 수 있습니다.
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-- 12라는 수를 이해하는 한가지 방법이죠
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이 수와 관련하여
여러분은 나중에 약간의 미묘한 변화를 보게 될 것입니다.
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-- 이것은 핵 내부에 존재하는
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양성자와 중성자의 합입니다.
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이 탄소 입자는 정의에 따라 원자번호 6을 갖습니다.
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하지만 이렇게 쓰는 방법도 있죠
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그 의미를 되새기도록 하는거죠.
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탄소 원자의 중심에는 핵이 자리합니다.
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그리고 탄소12 원소는 6개의 양자와 6개의 중성자를 갖습니다.
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또 다른 형태의 탄소인 탄소14 원소는
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6개의 양자를 가지도 있지만 중성자는 8개를 가집니다.
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즉, 중성자의 수는 바뀔 수 있습니다.
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그러나 여기 있는 탄소12는
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탄소12 원소가 중성...
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몇 초 후에 바로
이 단어에 대한 미묘한 차이를 보여드리죠.
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만일 탄소가 중성이라면 6개의 전자를 갖고 있을겁니다.
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여기 전자 6개를 그려보겠습니다.
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하나, 둘, 셋, 넷, 다섯, 여섯
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그리고 한가지 생각할 수 있는 방법은
-- 아마 이것이 첫번째 방법이겠는데요.
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전자와 핵 사이의 관계에 대하여
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생각해 볼 수 있는 첫번째 방법은 --
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마음대로 움직이고 있는
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전자들을 상상해 볼 수 있습니다.
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여기 이 핵 주변을 시끄럽게 돌아다니고 있죠.
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한가지 모델은
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핵 주변에 궤도를 따라 돌고 있다고 생각해 볼 수 있습니다.
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그런데 이것이 꽤 정확한 것은 아닙니다.
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말하자면 전자는 태양 주위를 움직이는
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행성처럼 정해진 궤도를 따라 움직이지는 않아요.
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하지만 이런 이해 방법은
구조를 이해하는데 좋은 시작이 되죠.
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또 다른 이해 방법은
전자가 핵 주위를 제멋대로 돌아다니는 모습입니다.
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즉, 핵주변에서 소란스럽게 돌아다니는거죠.
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그 이유는
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이 수준에서 현실은 매우 이상한 현상을 갖기 때문입니다.
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실제로 우리는 전자가 무엇을 하고 돌아 다니는지 알려면
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양자물리와 씨름해야만 합니다.
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이런 방향에서 여러분의 머릿속에 그릴수 있는 첫번째 모델은
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바로 이 탄소12 원자의 중앙에
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여기 이 핵이 놓여있는 것입니다.
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저 쪽에 이 핵이 자리잡고 있죠.
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그리고 이 전자들은 핵 주변을 미친듯이 돌아다니고 있어요.
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이들 전자가 핵으로 부터
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떨어져 나가지 않는 이유는
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그러니까, 이 전자들이 핵으로 튕겨져 되돌아 오는 이유는 말이죠,
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그 전자들이 이 원자의 일부로 남아 있는 이유는
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양성자가 전기적으로 양의 성질을 갖기 때문입니다.
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그리고 전자는 음의 성질을 갖거든요.
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이것이 이들 기본 입자가 갖는 성질 가운데 하나입니다.
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근본적으로 이들과 다른 전기적 성질을 띄는 것이 무엇인지
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생각해보면
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문제는 훨씬 더 심오해집니다.
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하지만 우리가 아는 한 한가지는
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전자기력에 대해서 생각해보면,
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다른 전하들은 서로를 끌어당기고 있습니다.
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그러니까, 가장 쉽게 생각해볼 수 있는 방법은
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양성자와 전자는
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서로 다른 극성을 갖기 때문에
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서로를 끌어 당기고 있죠.
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중성자는 중립입니다.
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그러니까 중성자는 여기 핵의 내부에 그냥 자리하고 있죠.
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중성자는 특정한 원소의 몇몇 원자에 대해서
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어떤 수준에서 그 성질에 영향을 줍니다.
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그러니까, 전자가 제멋대로 날아가 버리지 않고
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그 근방에 남아있는 이유는
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이것들이 무엇엔가 이끌리기 때문입니다.
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전자는 핵을 향해 끌려가죠.
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그 속도는 엄청납니다.
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-- 실제로 거의 불가능한건데 --
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우리가 또다시 물리학에서
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아주 이상한 부분에 대해서 이야기하고 있군요.
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전자가 실제로 무엇을 하는지
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이야기를 시작하면
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-- 글쎄요 --
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아마 여러분은
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전자가 충분히 제멋대로 돌아다녀서
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전자는 절대로 핵으로 빨려들어가지 않을 것이라고
말할 수 있을 것입니다.
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아마 이 상황을 설명하는 한가지 방법일 것입니다.
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이제까지, 양성자의 수에 의하여 정의되는
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여기 이 탄소12 에 대하여 말씀드렸습니다.
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산소는 8개의 양성자를 갖는 원소로 볼 수 있습니다.
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여기서도 전자는 다른 전자와 상호작용을 하죠.
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이 전자들은 다른 원자에 의해 떨어져 나갈 수도 있죠.
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실제로 이런 현상에서
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우리는 화학의 상당 부분을 이해할 수 있습니다.
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화학은 하나의 원자가 혹은 원소가
얼마나 많은 전자를 가질 수 있는지에
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기초하고 있습니다.
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그리고 그 전자들이 어떻게 작동하는지
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그리고 다른 원소의 전자들과 어떻게 작동하는지
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혹은 같은 원소의 다른 원자와
어떻게 작용하는가에 달렸습니다.
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이제 우리는 한 원소의 원자가 같은 원소의 다른 원자와
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혹은 한 원소의 원자와 어떻게 반응하는지
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혹은 어떻게 결합할 수 있는지, 결합하지 않는지,
또는 서로 끌어당기는지
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혹은 또 다른 원소의 다른 원자를 밀어내는지 등등의
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반응 방식을 예측할 수 있습니다.
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예를 들어보죠.
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나중에 이런 것에 대해서 꽤 많이 배우게 될텐데요.
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또다른 원자가 탄소로 부터
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전자를 빼앗아 갈 수도 있습니다.
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그 이유가 어떻든지 말이죠 --
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그리고 우리는 어떤 원소들의 특정한 중성원자에 대해서도 언급할 것입니다.
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다른 무엇보다도 전자들 간의 관계에 관심을 가질 것입니다.
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그래서, 그런 여러가지 가운데 한 경우는
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탄소가 가진 전자를 빼앗아가게 됩니다.
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그렇게 되면 탄소는
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양성자의 수보다 적은 수의 전자를 갖게 되겠죠.
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그러면 그 탄소는 6개의 양성자와 5개의 전자를 갖게 됩니다.
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그러면 그 탄소는
전체적으로 양의 전기적 극성을 갖게 될 것입니다.
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결국 그 탄소12 의 경우, 전에 언급한 첫번째 형태는
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6개의 양성자와 6개의 전자의 전기적 극성이 상쇄되고
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전자를 한개 잃은 경우에는 5개의 전자만 남게 되는데
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전체적으로는 양의 전기적 극성을 띄게 됩니다.
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화학에서는 이러한 현상들에 대하여
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더많은 논의를 하게 될 것입니다.
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제가 희망하는 바는
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여러분들이 이런 현상에 흥미를 갖게되고
그 가치를 느끼게 되는 것입니다.
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이미 우리는 원자라는 기본적인 재료를
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갖게 되었습니다.
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이보다 더 멋진 것은
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이러한 기본 재료들이
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심지어 더 기본적인 물질들로 이루어져 있다는 점입니다.
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이런 것들을 바꿔가면서
-
원자의 성질을 바꿀 수 있습니다.
-
아니면 한 원소의 원자로 부터
-
다른 원소의 원자로 바꿀 수도 있습니다.
