입자의 운동

이 단원에서는 두 가지 현상을 자세히 본다. 확산(물질이 스스로 퍼져 나가는 일)과 증발(액체가 저절로 공기 중으로 빠져나가는 일). 둘 다 우리가 가만히 두어도 일어난다.

두 현상은 같은 결론을 가리킨다 — 물질을 이루는 입자는 끊임없이 운동하고 있다. 이 결론은 직접 관찰한 것이 아니라, 관찰 가능한 현상에서 추론한 과학적 모형이다.

확산(diffusion)이란, 어떤 물질이 다른 물질 속으로 스스로 퍼져 나가는 현상이다. 액체 속에 잉크가 퍼지고, 공기 중에 향수 분자가 퍼지고, 끓는 라면 냄새가 집안 전체에 퍼진다 — 모두 확산이다.

확산이 일어나는 까닭은 단순하다. 입자들이 끊임없이 움직이고 있기 때문이다. 가만히 있는 듯 보이는 물·공기 속에서도, 입자들은 사방으로 충돌하고 튕기며 움직이고 있다.

온도를 올려보면, 확산이 훨씬 빨라진다. 입자가 가진 운동 에너지가 커져 더 활발히 움직이기 때문이다. 그래서 차가운 물보다 뜨거운 물에 떨어뜨린 잉크가 훨씬 빨리 퍼진다.

증발(evaporation)은 액체 표면에서 일부 입자가 기체로 빠져나가는 현상이다. 액체 속 입자들은 평균적으로는 비슷한 운동 에너지를 가지지만, 그중 일부는 평균보다 훨씬 빠르게 움직인다. 가장 빠르게 움직이는 입자가 액체 표면을 뚫고 공기 중으로 튀어 나간다.

그래서 액체는 끓는점에 도달하지 않아도, 가만히 놓아두기만 해도 천천히 사라진다. 우리는 이를 증발이라 부른다.

증발이 더 빠르게 일어나는 조건은? 온도가 높을수록 입자 운동이 활발해 빨라지고, 표면적이 넓을수록 더 많은 입자가 동시에 빠져나갈 수 있어 빨라지며, 공기 흐름이 빠를수록 빠져나간 입자가 멀리 옮겨져 새 입자가 또 나갈 자리가 생긴다. 그래서 더운 날, 빨래를 널어서 바람 잘 드는 곳에 두면 잘 마른다.

현대 과학에서는 강력한 전자 현미경으로 분자·원자 수준의 입자를 직접 촬영할 수도 있다. 우리 선조 과학자들은 그런 기술이 없었지만, 오직 관찰과 추론만으로 입자의 존재와 운동을 알아냈다. 그 사실 자체가 놀라운 일이다.