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입자로 이루어진 원자와 원자핵 고전물리학
지금까지 이야기를 정리하면 물질의 최소 단위인 원자는, 이보다 더 작은 입자인 양성자, 중성자, 전자로 이루어져 있다. 일반적으로 원자는 몇 개의 양성자와 중성자가 모인 원자핵과 원자핵 주변의 전자로 구성된다. 이렇게 원자를 구성하는 입자는 각각 고유의 질량과 전하를 갖고 있다. 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자는 양성자가 플러스 전하를 띤다는 점을 제외하면 질량이 거의 같아 엇비슷하다. 두 입자는 원자핵을 이루고 있어서 핵자라고도 한다. 반면 전자는 마이너스 전하를 띠며, 양성자나 중성자의 질량의 1,800분의 1밖에 되지 않는다. 또 오늘날에는 이외에도 원자를 이루는 더 작은 입자를 통틀어 아원자 입자라고 부른다. 원자 내부는 플러스 전하를 띤 양성자와 마이너스 전하를 띤 전자의 개수가 같아서 전체적으로는 중성이다. 때에 따라 전자의 개수가 많아서 마이너스 이온(음이온)이 되기도 한다. 원자의 화학적 성질을 결정하는 요소는 원자핵 안의 양성자 개수로 이를 원자번호라고 한다. 또 원자핵에 포함된 양성자와 중성자를 합한 수를 질량수라고 부른다. 원자핵의 크기는 원자 크기의 약 10만 분의 1 정도여서 원자 내부는 거의 비어 있다. 원자나 원자핵과 같은 미시 세계에서는 일상에서 쓰이는 법칙이 통용되지 않는다. 이러한 미시 세계를 설명하는 법칙이 바로 양자론과 양자역학 그리고 입자물리학이다.
빛과 스펙트럼
원자, 분자와 함께 미시 세계에서 중요한 역학을 하는 빛에 대해 간단히 살펴보자. 햇빛을 프리즘에 통과시키면 빨, 주, 노, 초, 파, 남, 보의 7가지 색으로 나뉜다. 이것을 빛의 스펙트럼이라고 한다. 빛의 색이 다양한 이유는 파장이 다르기 때문이다. 700mm 정도의 비교적 긴 파장은 빨간색, 600mm 정도의 파장은 노란색, 500mm 정도의 파장은 녹색 그리고 400mm 이하부터 파란색, 남색, 보라색으로 보인다. 이와 같은 빛의 성질을 자세히 연구한 사람이 아이작 뉴턴이다. 뉴턴이 살던 시대에는 프리즘에 빛을 비추면 7가지 색으로 나뉜다는 사실을 이미 알려져 있었다. 뉴턴은 2개의 프리즘을 준비했다. 그러고는 먼저 첫 프리즘에 백색광을 통과시켜 7가지 색으로 나누었다. 이제부터가 뉴턴을 천재라고 부르는 이유이다. 뉴턴은 7가지 색으로 분리된 빛을 거꾸로 놓은 다른 하나의 프리즘에 통과시켰다. 그 결과 7가지의 색이 다시 백색광으로 합쳐졌다. 뉴턴의 실험은 햇빛 같은 백생광이 여러 가지 색깔의 빛으로 이루어졌다는 사실을 처음으로 증명하였다. 빛은 일종의 파동으로 물질이 없는 진공에서도 전달된다. 또 빛의 속도인 광속은 진공 중에서 누가 관측하더라도 초속 약 30만 km로 일정하다.
빛의 직진 반사 굴절
빛의 3법칙인 직진 반사 굴정은 이미 고대 알렌산드리아에서부터 알던 빛의 기본 성질이다. 가장 먼저 직진의 법칙은 빛은 규닝ㄹ한 매질에서 똑바로 나아간다는 의미다. 빛이 직진하는 성질은 눈에 보이는 가시광성뿐만 아니라 적외선이나 전파 등 눈에 보이지 않는 빛에도 모두 성립한다. 그래서 방해물이 있으면 휴대전화 연결 상태나 텔레비전 화면 상태가 나빠진다. 빛은 광원을 중심으로 구 형태로 퍼진다. 광원을 중심으로 임의의 반지름을 가진 구면을 통과하는 광선의 수는 언제나 일정하지만, 구의 표면적은 반지름의 제곱에 비례해 커지므로 구면에서의 광선의 밀도는 반지름 제곱에 반비례하며 작아진다. 그러므로 광원에서 멀어질수록 거리의 제곱에 반비례하여 어두워진다. 빛이 종이나 금속 표면처럼 매끈한 표면에 입사하면 일부는 반사된다. 입사면에 수직인 선과 입사한 빛 사이의 각도를 입사각, 수직선과 반사되는 빛 사이의 각도를 반사각이라고 할 때 입사각과 반사각은 같다는 것이 반사의 법칙이다. 또한, 공기와 물처럼 다른 물질의 경계면에 입사한 빛은 하나의 매질(예를 들어 공기)에서 다른 매질(예를 들어 물)로 들어갈 때 경로가 휘어지는데 이것을 굴절이라고 한다. 굴절에서 매질의 경계면에 수직인 선과 입사한 빛 사이의 각도를 입사각, 수직선과 굴절된 빛사이의 각도를 굴절각이라고 할 때 밀도가 작은 매질에서 밀도가 큰 매질로 입사할 때는 입사각보다 굴절각이 작아진다. 이것을 굴절의 법칙이라고 한다.