원자는 중심에 원자핵이 있고 전자, 양성자 그리고 중성자가 전기적으로 중성을 이루고 있다. 현대과학에서는 원자 속에 더 작은 소립자도 존재하나 화학에서 다루는 물질 사이의 반응과 특성을 설명할 때에는 양성자, 전자, 중성자로 설명한다. 원자는 대부분의 질량이 원자 전체 부피에 비해 매우 작은 범위에 집중되어있는데 이 부분을 원자의 핵이라고 한다. 핵을 제외한 원자부피의 나머지 부분은 전자가 차지하고 있다. 원자핵은 전하를 띠고 있는데, 원자핵 속에 존재하는 양성자는 양(+)전하를 띠고, 중성자는 전기적으로 중성이다. 따라서 원자핵의 전하는 양성자의 수와 같은 부호를 가지고 같은 전하량을 나타낸다. 순수한 물질인 원소는 한 종류의 원자로 구성되어있고, 한 종류의 원자는 반드시 같은 수의 핵전하를 가지는데 같은 원자라면 양성자수가 일정하기 때문이다. 예를 들면 원자번호가 1번인 모든 수소 원자는 양성자수가 1개이다. 반면 원자번호가 8번인 모든 산소의 양성자수는 8개이다. 이렇게 화학적 성질을 결정하는 양성자수를 원자번호로 정하게 된다. 또 양성자로 인해 양전하를 띠는 원자핵은 음전하를 띠는 전자를 잡아당겨 전기적 힘의 평형을 이루고 있어 전체적으로 원자가 전기적 중성을 나타낸다. 전자는 원자로부터 다른 원자로 이동할 수 있어 전자를 잃거나 얻어서 전하를 띤 알갱이가 되는데 이것을 이온이라고 한다. 중성원자로부터 전자를 떼어내어 양이온을 만들려면 에너지가 필요한데 이것을 이온화에너지라고 하고, 반대로 중성원자가 전자를 얻어 음이온이 되면서 에너지 측면에서 안정될 때 방출하는 에너지를 전자친화도라는 개념으로 설명하기도 한다. 원자를 구성하는 양성자와 중성자는 질량이 거의 비슷한데 이 값을 1이라고 가정하면 전자는 질량이 매우 작아 약 1/1840배에 해당한다. 따라서 무거운 양성자와 중성자가 존재하는 원자핵의 질량이 원자 전체의 질량과 거의 비슷하다. 그러나 전하는 양성자와 전자의 전하량은 같고 부호만 반대이고 중성자는 전하를 띠지 않는다. 따라서 모든 중성원자의 양성자와 전자의 수가 같으므로 원자는 전기적으로 중성이 된다. 한 종류의 원소를 구성하는 원자들은 모두 같은 핵전하를 지니고 있다. 그러나 질량은 다를 수 있다. 수소의 경우 양성자 1개와 전자 1개로 이루어져 두 입자의 질량의 합이 수소 원자 1개의 질량과 같다. 그런데 극히 일부인 0.016%는 질량이 다르다. 그 이유는 원자핵 속에 중성자가 존재하기 때문이다. 이처럼 원자번호가 같고 질량이 다른 원소를 동위원소라고 하고, 양성자수와 중성자 수의 합을 질량수라고 부른다. 대부분의 화학원소는 동위원소의 혼합체로 존재한다. 수소는 수소, 중수소, 삼중수소의 동위원소가 존재하고, 산소는 질량수가 16, 17, 18인 동위원소가 존재한다. 이 중 질량수가 16인 원소가 99.76%로 대부분을 차지한다. 질량의 차이는 화학적 성질을 결정하지 않는다. 따라서 화학반응을 연구할 때 산소 중 어느 동위원소가 반응하는지를 표시할 필요는 없다. 물질의 성질이 다양한 약 100여 개의 원소를 체계적으로 연구하는 데에는 주기율과 주기율표가 유용하다. 현대적으로 원소를 분류하고 현재와 같은 주기율표의 근간을 마련한 과학자는 러시아의 화학자 멘델레예프이다. 원자번호 101번 원소는 그의 이름을 따서 멘델레븀이라고 명명하였다. 그의 할아버지는 신문을 발행하였고 아버지는 교육자이었다. 학구적인 집안에서 자란 멘델레예프는 어린 시절에는 공부에 두각을 나타내지 못하였다. 상트페테르부르크(레닌그라드)의 대학에 다니면서 수학과 과학에 두각을 나타내었고 프랑스와 독일에 유학하면서 아보가드로의 가설에 대한 논쟁에도 과학적 호기심과 관심을 가지게 되었다. 32세에 러시아로 돌아와 모교의 화학과 교수가 되면서 원소의 규칙성을 발견하고 원소의 성질에 따라 배열하는 연구를 하게 되었으며 그 결과 주기율표를 제안하게 되었다. 그가 자신의 주기율표를 활용하여 미지의 원소를 예측하였는데, 훗날 그가 예언한 원소가 발견되었고 그 성질이 예언과 꼭 맞아 그 업적이 얼마나 과학적인 관찰의 결과인지 알려주는 사례로 많이 인용된다. 그는 학자이지만 사회적 현상에도 관심이 많아 정치운동에도 적극적으로 참여하였고 훗날 도량형국(통일된 측량법을 지키고 국제 단위로 정착하는 기관) 장관에도 임명되기도 하였다. 그의 연구 시절에는 63개의 원소가 발견되었지만, 그가 죽은 후 1년 만에 86개로 원소의 수가 증가하였다. 이렇게 짧은 시간 동안 많은 원소가 추가로 발견된 이유는 과학탐구 과정에서 가장 중요한 규칙성을 발견하고 일반화하는 과정이 멘델레예프의 주기율에 합리적으로 잘 반영되었기 때문이다. 물질의 과학인 화학에서 물질을 구성하는 기본 원소를 찾는 과정은 탐구라는 긴 과학의 역사 속에서 시발점 및 길잡이 역할을 하였으리라 생각된다. 우리 인류는 멘델레예프라는 소중한 항해사를 만난 덕분에 빠르게 발전한 것이 아닐까.
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