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비율이 모든 것을 결정한다

원자론은 꽤 설득력 있는 이론이었다. 하지만 원자가 모여 물체가 된다는 것과 라부아지에가 찾아낸 원소들보다 더 많은 원소가 존재한다는 것을 설명하기 위해서는 원자들이 서로 결합하는 이유를 밝힐 필요가 있었다.

초기의 원자론자들에게 원자들의 결합은 풀기 어려운 수수께끼와 같았다. 심지어 뉴턴은 답답했던 나머지 ‘자연의 대리인’이 원자들을 붙들어 맨다고 표현했을 정도였다. 원자의 결합에 대한 연구의 첫걸음은 화합물의 각 원소 구성 비율에 대한 조사였다. 프랑스의 화학자 조제프 프루스트는 스페인 마드리드의 왕립 연구소장으로 1798년에서 1804년까지 재직했다. 그 기간에 행해진 실험 결과를 토대로 ‘일정 성분비의 법칙’을 이끌어냈는데, 이 법칙에 의하면 화합물을 구성하는 각 성분 원소의 질량 비율은 항상 일정하다.

라부아지에가 처형되고 몇 년 뒤, 영국의 화학자 존 돌턴이 프루스트의 이론을 발전시켜 현대적인 의미에서 원자론의 기초를 세웠다. 1803년에 시작하여 1808년에 발표한 연구에서 돌턴은 다음과 같은 다섯 가지의 결론을 제시했다.

‘배수 비례의 법칙’도 돌턴이 발견(또는 제안)한 것이다. 화합물을 구성하는 원소가 무엇인가에만 주목하지 않고 두 가지 이상의 원소가 결합할 수 있는 방법이 어떤 것인가에도 주목했던 돌턴은 어떤 화합물이든 이를 구성하는 원소들의 비율에 간단한 정수비가 성립한다는 것을 발견했다. 예를 들어 탄소와 산소가 결합하면 일산화탄소(CO)가 되기도 하고 이산화탄소(CO₂)가 되기도 한다. 이때, 일산화탄소에 들어있는 탄소와 산소의 질량비는 12:16이고, 이산화탄소에서는 12:32이므로, 일산화탄소와 이산화탄소에 들어있는 산소의 질량비는 1:2가 된다.

이처럼 화합물을 구성하는 원소의 질량비로부터 원자들 사이의 질량비를 계산할 수 있었다. 돌턴은 수소의 질량을 1로 놓았을 때의 상대적인 비율로 원자의 질량을 계산해냈는데, 물과 같이 단순한 화합물의 경우 원소들의 구성비가 1:1일 것이라고 가정하는 바람에(물이 H₂O가 아니라 HO라고 생각했음) 그가 계산한 원자들의 질량비는 정확한 것이 못되었다. 몇 년 뒤인 1811년에 이탈리아의 화학자 아메데오 아보가드로가 아보가드로의 법칙을 발견한 뒤에야 돌턴의 오류는 수정될 수 있었다. 아보가드로의 법칙은 온도와 압력이 같을 때 같은 부피의 기체 안에 들어있는 분자의 개수(아보가드로의 상수(常數) 6.0221415×10²³개/mol에 의해서 결정된다)는 같다는 것이다. 이 법칙에 따라 아보가드로는 2리터의 수소와 1리터의 산소가 반응하면 두 원소가 2:1의 비율로 결합한다는 것을 알 수 있었다. 아메데오 아보가드로는 원자-분자 이론의 선구자로 일컬어진다.

원자는 실제로 존재하는가?

지금의 시각에서 본다면 돌턴의 연구결과는 상당히 사실에 가깝다. 하지만 당시의 과학자들은 돌턴의 이론을 선뜻 받아들이지 않았고, 돌턴의 이론을 받아들이는 쪽과 그렇지 않은 쪽으로 나누어졌다. 다행히 당시는 증기 기관의 개발로 열역학과 원자의 특성에 대한 관심이 높아져 기체에 대한 연구가 활발하게 이루어질 사회적 환경이 조성되어 있었다. 원자의 특성은 고온에서의 기체의 특성이나, 19세기 중반에 정립된 열역학 법칙과 관련이 있는 것이 분명했다.

물질이 작은 입자로 구성되어 있다는 시각적 증거가 최초로 발견된 것은 1827년에 스코틀랜드의 식물학자인 로버트 브라운에 의해서였다. 하지만 당시 그 이유까지 함께 밝혀지진 않았다. 작은 꽃가루 알갱이가 물속에서 움직이는 모습을 현미경으로 관찰하던 브라운은 마치 무언가 보이지 않는 것에 부딪치는 것처럼 알갱이들이 불규칙적으로 움직인다는 것을 눈치챘다. 심지어 100년이 된 꽃가루도 똑같은 움직임을 보였으므로 꽃가루의 움직임이 꽃가루가 살아있는 것인지 죽은 것인지와는 아무 관련이 없다는 것이 분명했다.

하지만 브라운은 이런 현상의 원인을 제대로 설명하지 못했고, 지금은 ‘브라운 운동’이라고 불리는 이 현상은 결국 오랫동안 주목받지 못했다. 한참 뒤인 1877년에 J. 드소가 ‘내가 보기에 이 현상은 액체 속에서 분자들이 열에 의해 움직이는 것이다’라는 의견을 내놓았다. 이어서 1889년에는 프랑스의 물리학자 루이 조르주 구이가 알갱이가 작을수록 움직임이 더 뚜렷하다는 것을 발견했고, 이는 드소의 가설에 완벽하게 들어맞는 것이었다.

오스트리아의 지구물리학자 펠릭스 마리아 엑스너는 1900년에 측정을 통해서 입자의 운동과 입자의 크기, 온도 사이의 관계를 분석했다. 이 결과를 토대로 아인슈타인은 1905년에 브라운 운동을 설명하는 방정식을 세울 수 있었다. 아인슈타인은 입자 운동의 원인이 분자에 있다고 확신했고, 분자의 크기를 수학적으로 추산했다. 1908년에 프랑스의 물리학자 장 페랭이 이 방법을 이용하여 물 분자의 크기를 측정함으로써 아인슈타인 이론의 타당성을 입증했다. 분자의 존재를 입증하는 최초의 실험이었던 이 업적으로 페랭은 1926년에 노벨 물리학상을 수상했다. 드디어 원자와 분자의 존재를 아무도 부인할 수 없게 된 것이다.

원자를 나눌 수 있을까?

데모크리토스가 주장했던 것처럼 원자를 더 이상 나누어질 수 없는 작은 입자라고 정의한다면, 엄밀한 의미에서 지금 우리가 원자라고 부르는 것은 원자라고 할 수 없다. 실제로 아인슈타인과 페랭이 원자의 존재를 증명하던 시대에도 이미 원자보다 작은 입자의 존재에 대한 연구가 진행되고 있었다.

영국의 물리학자 조셉 존 톰슨이 1897년에 전자(電子, electron)를 발견했는데 이는 원자가 더 이상 쪼개질 수 없는 입자가 아닐 수도 있다는 뜻이었다. 결국 원자가 물질을 구성하는 궁극적인 입자로 받아들여진 기간은 불과 수년 정도밖에 되지 않는다.