우리가 손으로 만지고 보는 모든 물체는 원자로 이루어져 있습니다. 책, 연필, 책상, 심지어 우리 몸까지도 작은 원자들이 모여 만들어졌죠. 그런데 놀라운 사실은, 이 원자가 대부분 빈 공간이라는 것입니다. 과학자들은 원자가 약 99% 이상이 비어 있다고 이야기합니다. 그렇다면, 왜 원자는 대부분이 비어 있는 걸까요? 그리고 이 사실이 우리에게 어떤 의미가 있을까요?
원자는 어떻게 생겼을까?
원자는 중심에 있는 ‘원자핵’과 그 주변을 도는 ‘전자’들로 이루어져 있습니다. 원자핵은 양성자와 중성자라는 입자로 구성되며, 원자의 거의 모든 질량이 원자핵에 몰려 있습니다. 하지만 원자핵은 아주 작아서 원자 전체 크기에 비하면 거의 점에 가깝다고 할 수 있죠.
그럼 전자는 어디에 있을까요? 전자는 원자핵을 중심으로 한 특정 궤도에 확률적으로 분포하고 있습니다. 전자가 차지하는 공간은 원자 전체 크기의 대부분을 이루지만, 실제로는 빈 공간입니다. 따라서 전자가 특정 범위 내에서 확률적으로 위치하고 있는 것이며, 이로 인해 원자 내부의 대부분이 비어 있다고 볼 수 있는 것이죠.
만약 원자핵이 축구장 한가운데 있는 작은 공만큼 작다고 가정한다면, 원자는 그 축구장 전체만큼 크다고 볼 수 있습니다. 즉, 원자핵은 아주 작게 한곳에 몰려 있고, 전자는 그 주위 넓은 공간을 빠르게 움직이면서 원자 전체의 크기를 형성하고 있습니다. 그러니 원자 크기의 대부분은 빈 공간으로 이루어져 있다고 할 수 있습니다.
원자는 99%가 비어있는데 왜 단단할까?
이렇게 원자가 대부분 빈 공간이라면, 왜 우리는 물체를 만졌을 때 단단하고 꽉 차 있는 것처럼 느낄까요? 그 이유는 바로 전자들 때문입니다. 전자는 같은 전자를 가진 다른 물체와 가까워질 때 서로 밀어내는 ‘전자기력’을 가지고 있습니다. 마치 자석의 같은 극끼리 밀어내는 것처럼, 우리가 손으로 물체를 누를 때 손과 물체의 전자들이 서로 밀어내며 저항하는 힘을 느끼게 됩니다. 이 힘 덕분에 물체가 단단하다고 느껴지는 것이죠.
간단히 말해, 우리가 느끼는 단단함은 원자가 꽉 차 있어서가 아니라, 전자들이 밀어내는 전자기력 덕분입니다.