전하를 이해하기 위해서는 원자 속을 들여다볼 필요가 있습니다. 원자는 물질을 구성하는 작은 단위로, 작은 원형 구슬을 상상하면 됩니다. 자연에는 가장 가벼운 수소 원자로부터 가장 무거운 우라늄 원자까지 92종의 천연 원자가 존재합니다. 각 원자의 내부를 들여다보면 원자핵과 전자를 볼 수 있습니다. 원자핵은 하나지만 전자의 개수는 1개부터 92개까지 다양합니다. 원자핵은 다시 같은 수의 양성자와 중성자로 이루어져 있습니다.
양성자의 전하와 전자의 전하는 부호가 반대이고 크기가 같다고 알려져 있습니다. 따라서 양서자의 수와 전자의 수가 같은 원자는 전기적으로 중성이므로 전하를 띠지 않습니다. 물론 중성자는 전하를 띠지 않습니다. 그래서 이름도 중성자입니다. 양성자와 중성자의 질량은 거의 같으며, 전자 질량의 1836배 정도에 이릅니다. 따라서 원자핵이 원자 질량의 거의 대부분을 차지하게 됩니다.
양성자, 중성자, 전자로 구성된 원자의 모습을 알기 쉽게 그리면 태양계와 흡사합니다. 태양에 해당하는 원자핵은 전자에 비해 매우 무겁기 때문에 전자에 대해 거의 움직이지 않습니다. 반면 저자는 태양계의 행성처럼 원자핵 주위를 빠른 속도로 원운동을 합니다. 전자와 양성자의 전하 중 어느 쪽이 음인지는 전지의 양극으로 끌리는 입자를 밝혀낸 실험 결과를 통해 결정되었습니다. 실험에서 전자가 양극으로 끌렸기 때문에 전자의 전하를 음으로 정의하게 되었습니다. 여러 개의 전자를 가진 원자에서 전자의 일부 또는 전부가 떨어져 나가거나 원자에 전자가 추가된 상태를 이온이라고 합니다. 전자가 떨어져 나간 원자는 전하량이 양이므로 양이온이라 부르고 전자가 추가된 원자는 음이온이라고 부릅니다.
물리학에서 배우는 전자와 화학에서 배우는 전자가 다르다고 알고 있는 학생들이 의외로 많이 있습니다. 물리학에서는 전자를 원자핵 주위를 도는 입자라고 가르치는 반면 화학에서는 전자를 화학 반응을 일으키는 음전하의 구름이라고 가르칩니다. 그러나 물리학이나 화학 모두 동일한 전자를 다루고 있음을 주의해야 합니다. 이와 같은 혼란은 원자 세계의 특징을 정확히 설명하지 않아서 생긴 것입니다. 전자처럼 눈에 안 보이는 작은 입자는 야구공 같이 눈에 보이는 크고 무거운 물체와 근본적으로 다른 성질을 가집니다. 믿기 어렵겠지만 전자는 입자이면서 파동입니다. 물리학에서는 전자의 입자성을 강조하는 데 비해 화학에서는 전자의 파동성을 강조하기 때문에 서로 다른 원자 모형을 채택하고 있을 뿐인 것입니다.
물리학자들은 전 우주에 존재하는 전체 전하량이 변하지 않는다고 믿고 있습니다. 쉽게 말해 원자의 전하량이 0으로 일정하듯이 전 우주의 전하량도 0 또는 일정한 값이라고 생각합니다. 어떤 물체가 전하를 띠는 것을 대전된다고 합니다. 물체를 대전시키려면 물체를 구성하고 있는 원자들로부터 전자를 떼어내 다른 물체에 전자를 전달해 주면 됩니다. 전자가 떨어져 나간 물체는 양전하로 대전되고 반대로 전자를 얻은 물체는 음전하로 대전됩니다. 다시 말해 전하는 만들어지거나 사라지지 않고 다만 이동할 뿐입니다. 그렇다면 우주 탄생 초기부터 있었던 전하는 어떻게 생긴 것일까요? 유감스럽게도 아직은 이 질문에 대해 아무도 만족할 만한 대답을 내놓지는 못하고 있습니다.
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