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[관련단원] 통합과학 1-3 원소와 주기율 

이모의 책에 깔리기 직전, 채윤이가 급하게 주머니에서 피젯스피너를 꺼내자 아이템에서 밝은 빛이 번쩍했어요! 그리고 순식간에 채윤이와 수호의 몸은 원래 크기로 돌아왔지요. 눈앞에 채윤이와 수호가 갑자기 나타나자 이모는 화들짝 놀랐어요. “세상에, 내가 너희를 책으로 깔아뭉갤 뻔 했구나!”

● 스토리따라잡기 : 다시 만난 이모! 하지만….

“너희들 어떻게 된 거니? 한참 동안 게임에서 나오질 않아 걱정했단다.”
놀람과 걱정이 뒤섞여 눈이 커다래진 이모가 채윤이와 수호를 꼭 안으며 물었어요.
“10년 동안 게임에 갇혀 있었던 레게 머리 아저씨를 만났어요. 그 사람은 자신을 게임 설계자라
고 소개했어요. 그런데 그 사람을 만난 뒤로는 미션을 해결해도 현실로 나오질 못했어요.”
“설계자라고? 이상하구나. 내가 게임을 했을 땐 그런 사람은 못 봤는데….”
“그 아저씨가, 지금은 게임이 엉망이어서 현실로 나오지 못한다고 말했어요. 그리고 세 개의 아이
템을 다 모아야 다시 정상으로 돌릴 수 있대요. 지금까지 한 개 모았어요!”
채윤이가 지금까지 있던 일을 얘기하며 이모에게 피젯스피너에 꽂힌 아이템을 보여 드렸어요.
아이템을 처음 본 이모는 알 수 없는 불안감에 휩싸였지요.
“느낌이 좋지 않구나…. 일단 피젯스피너는 건드리지 말도록 하자.”
“아녜요! 이 아이템은 정말 신기해요! 이렇게 피젯스피너를 들어 올리면…!”
수호가 이모에게 자랑을 하려고 피젯스피너를 높이 들어 올렸어요. 그러자 아이템이 번쩍하더니
채윤이와 수호의 몸이 조그맣게 줄어들었답니다.
“저것 봐! 웬 작은 공들이 마구 날아다니고 있어. 신기하다!”
“지금 그게 문제가 아냐…. 아이템이 말을 듣지 않아. 몸이 다시 커지질 않는다고!”

[미션카드] 원자의 생김새에 대해 설명하라!

● 통합과학 개념 이해하기 : 이 세상은 작은 공으로 이루어져 있다?

‘물질은 무엇으로 이뤄져 있을까?’라는 질문은 오래 전부터 사람들의 호기심을 자극했어요.
이 질문에 고대 그리스의 철학자 플라톤은 사물이 물, 불, 흙, 공기의 4원소로 이뤄져 있다고 주장했고, 데모크리토스는 더 이상 쪼갤 수 없는 입자로 이뤄져 있다고 주장했어요.

이후 2000년이 지난 1803년, 영국의 과학자 돌턴에 의해 데모크리토스의 주장이 다시 제기됐어요. 돌턴은 화학 반응에서 반응물과 생성물의 질량이 같고(질량 보존의 법칙), 항상 일정한 비율로만 화학 반응이 일어나는 이유에 대해 연구하고 있었지요. 연구 끝에 그는 물질이 다양한 종류의 작은 입자들이 결합해 만들어졌다는 사실을 깨달았어요. 돌턴은 이 작은 입자에 ‘원자(atom)’라는 이름을 붙이고, 원자가 딱딱한 공 모양일 것이라고 추측했답니다.

이후 다양한 실험을 통해 원자의 성질이 밝혀지면서 그 생김새도 조금씩 분명해졌어요. 1897년 영국의 과학자 톰슨은 실험을 통해 전자를 발견하고 이것이 음의 전하를 띤 질량이 매우 작은 입자라는 사실을 밝혀냈어요. 이를 근거로 ‘원자는 양전하 안에서 전자가 돌아다니는 형태’라고 주장했답니다. 14년 뒤인 1911년, 영국의 과학자 러더퍼드는 아주 얇게 편 금을 향해 발사한 알파선의 일부가 강하게 휘는 현상을 목격했어요. 이를 통해 원자의 중심에 단단한 원자핵이 존재한다는 사실
을 밝혀냈지요. 1913년에는 덴마크의 물리학자 보어가 ‘전자는 원자핵으로부터 일정한 거리에 있는 궤도를 따라 움직인다’고 말하며 러더퍼드의 원자 모형을 발전시켰답니다.

현대의 원자 모형은 1926년에 오스트리아의 물리학자 슈뢰딩거가 발표한 ‘불확정성 원리’에 기초해요. 불확정성 원리는 전자의 위치와 운동량은 동시에 측정이 불가능하다는 이론이에요. 이에 따르면 원자핵 둘레를 돌고 있는 전자의 위치는 알 수 없으며 오직 확률로만 계산할 수 있답니다. 따
라서 보어가 주장한 전자 궤도는 존재하지 않으며, 전자는 원자핵을 둘러싼 뿌연 구름 속 어딘가에 있다는 추측만 할 수 있답니다.

● 통합과학넓히기 : 일반 카메라로 원자를 찍다!

올해 2월, 영국 옥스퍼드대학교에서 박사 과정을 밟고 있는 ‘데이비드 내드링거’ 연구원이 찍은 사진 한 장이 전세계를 떠들썩하게 만들었어요. 그가 발표한 ‘이온 트랩 속 하나의 원자’라는 제목의 사진에는 두 개의 작은 전극 사이에 하얀 점이 떠 있는 모습이 담겨 있답니다. 이 작고 하얀 점이 바로 하나의 스트론튬 원자이지요. 놀랍게도 이 사진을 촬영한 도구는 첨단 현미경이 아닌, 우리가 일상에서 흔히 사용하는 디지털카메라였답니다.

원자는 대략 천만 분의 1mm의 작은 크기를 갖고 있어요. 이는 초미세먼지 알갱이의 만 분의 일에 해당하는 아주 작은 크기지요. 따라서 원자는 눈에 보이지 않으며 이를 관찰하기 위해선 성능이 매우 뛰어난 전자 현미경을 사용해야 한답니다. 그런데 데이비드 내드링거 연구원은 전자 현미경이 아닌 일반 카메라로 원자를 촬영하는 데 성공해 많은 이들이 깜짝 놀랐던 거죠.

사진 속에서 스트론튬 원자를 고정시키고 있는 건 2mm 간격으로 떨어져 있는 두 개의 금속 전극이에요. 이 전극이 바로 ‘이온 트랩’이랍니다. 이온 트랩은 이온을 가두는 실험 장치로, 진공 상태에서 이온 트랩에 전기를 흘리면 전극 사이에 만들어진 전기장의 영향으로 원자가 거의 움직이지 않아요. 하지만 이렇게 원자를 정지시켜도 크기가 워낙 작기 때문에 일반적인 방법으로는 카메라에 담을 수 없답니다.

이에 내드링거 연구원은 스트론튬 원자에 레이저를 발사하는 방법을 떠올렸어요. 그러면 원자가 빛을 흡수하고 다시 방출하는데, 이 빛을 카메라로 담아서 원자의 모습을 찍을 수 있었던 거죠. 내드링거 연구원은 원자가 빛을 흡수하고 방출하는 과정에서 진동을 하기 때문에 사진에 찍힌 스트론튬 원자는 실제 원자보다 크기가 더 크게 나왔다고 설명했답니다.

영 국 국립공학및자연과학연구위원회 (EPSRC)는 이 사진을 ‘2018 과학사진공모전’의 1등 작품으로 선정했어요. 수상 당시 내드링거 연구원은 “이 사진은 눈에 보이지 않는 양자 세계와 우리가 살고 있는 현실 세계를 이어 주는 멋진 다리 역할을 할 것”이라는 소감을 밝혔답니다.

● 스토리 

채윤이가 원자의 생김새를 설명하고 미션을 성공시켰지만, 여전히 아이템은 작동하지 않았고 채
윤이와 수호의 몸도 다시 커지질 않았어요.

“도대체 이게 어떻게 된 일일까….”

수호가 풀이 죽어 고개를 숙이고 있던 그때, 갑자기 채윤이가 수호를 다급하게 불렀어요.

“수호야, 저기 봐! 저기 반짝이는 파란색 원반이 보이니? 아무래도 두 번째 아이템을 찾은 것 같아!”