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질량

어떤 현상을 설명할 때에는, '언제, 어디서, 무엇을, 어떻게'라는 조건을 구체적으로 지적하지 않으면 안 된다. 이것들 중 '언제'는 시간, '어디서'는 공간의 조건이다. 이 항목에서는 '무엇', 즉 물리의 대상으로서의 물질에 대해 알아본다. 물질에 공통된 가장 기본적인 양은 질량이다.

관성의 정도

慣性－程度 물체에는 힘이 가해졌을 때 움직이지 않으려는 성질이 있다. 이 성질을 관성이라고 한다. 질량의 하나의 면은 이 관성의 크고 작음을 나타낸다. 또한 같은 속도로 움직이고 있는 2개의 물체를 정지시키려고 할 때 질량이 큰 것일수록 커다란 힘을 필요로 한다.

질량과 무게

質量－重量 질량에는 관성으로서의 성질과 만유인력을 일으키게 하는 두 가지 성질이 있다. 전자를 관성 질량, 후자를 중력 질량이라고 부르기도 한다. 예를 들어, 어떤 물체가 무겁다는 것은 중력 질량이 크다는 뜻이 된다. 또 경첩으로 고정된 커다란 문이 비록 기름칠이 잘 되어 있어서 경첩 부분에 마찰이 거의 없다 하더라도 이 문을 열려면 힘이 드는 이유는 문의 관성질량이 크다는 것을 뜻한다. 그러므로 물체가 지니고 있는 질량은 항상 물체가 가지고 있는 일정한 양이라고 규정할 수 있다. 무게란 보통 그 물체와 지구 사이의 인력을 말한다. 이것은 물체의 질량에 비례하므로 편의상 무게로써 질량을 나타내는 경우가 많다. 질량 1㎏인 물체의 무게는 9.8뉴턴(N)인데, 일일이 9.8이라는 수치를 곱하기는 번거로우므로 보통 질량 1㎏이라고 부른다.

질량의 측정 방법

관성 질량을 측정하기는 매우 어렵다. 그것에 작용하는 힘과 물체의 가속도라는 양자를 동시에 측정하지 않으면 안 되기 때문이다. 특히 가속도, 즉 속도 증가의 비율을 눈금으로 읽는다는 것은 어렵다. 때문에 대개는 중력 질량을 측정한다. 특히, 지구 위에서는 무게가 질량에 비례하므로 무게의 측정이 그대로 질량을 측정한 것이 된다. 그러나 엄밀하게 말하면 질량은 같더라도 지구 위의 장소에 따라 조금씩 다르다.

용수철 저울

힘이라는 것은 피부로 느껴지는 정도로 정해지는 것이지만, 고무와 같은 탄성적 물질을 이용함으로써 작용된 힘을 길이로 바꾸어 그 눈금을 정확하게 읽을 수가 있다. 금속 막대에 힘을 가하면 늘어나기는 하지만 늘어나는 정도는 아주 작아서 그대로는 저울로서 사용할 수 없다. 그러나 이것을 용수철 상태로 감은 것은 축의 방향에 대해 훅의 법칙이 제대로 성립된다. 용수철 상태를 가진 철사의 각 부분이 약간씩 비틀리고, 그것들이 모여 용수철이 늘어나게 되는 것이다.

천칭

天秤 10g, 1g, 혹은 0.1g이나 0.01g 등의 질량을 가진 분동을 미리 준비하고, 측정하려는 물체의 무게가 이들 분동을 물체의 무게에 맞추는 장치를 만들면 장소에 관계없이 물체의 정확한 질량을 얻을 수 있다. 이 장치의 대표적인 것이 천칭이다. 천칭은 보통 수평한 저울대의 중앙을 나이프에지로 받치고, 받침점 양쪽의 동일 거리가 되는 곳에 접시를 매달아 그 한쪽에는 물체를, 다른 한쪽에는 분동을 얹어서 저울대가 수평으로 될 때 분동의 양을 확인한다. 천칭의 본래의 목적은 질량을 되도록 정밀하게 측정하는 데 있다. 그러므로 감도가 예민할수록 좋다. 감도가 예민하다는 것은, 물체와 분동 사이에 질량이 약간의 차이가 있어도 저울대가 한쪽으로 기울어짐을 말한다. 이렇게 하기 위해서는 저울대를 가급적 길게, 가볍게 만들고, 저울대와 양쪽의 접시를 포함한 것의 중심이 너무 낮지 않아야만 한다. 중심이 높으면 그만큼 불안정해져서, 받침점 양쪽의 무게가 약간의 차이가 있어도 민감하게 반응하여 저울대는 크게 기울어지게 된다. 천칭에는 분동과 물체를 얹는 접시가 저울대 위에 놓여 있는 것도 있다.

지레를 이용한 저울

－利用－ 천칭의 본래의 목적은 좌우의 무게를 동등하게 하는 것이다. 이에 대해, 처음부터 분동무게를 일정하게 하고, 그 위치를 옮김으로써 물체의 무게를 측정하는 것이 저울대 저울이다. 현재는 거의 사용하고 있지 않지만 용수철 저울이 보급되기 전에는 많은 상점 등에서 사용되었다. 분동과 수평인 저울대를 따라 이동할 수 있는 추의 양쪽을 사용한 대저울(앉은뱅이 저울)도 있다. 가벼운 분동으로 무거운 물체를 달 수 있는 이점이 있는데, 저울대 저울에서는 분동을, 앉은뱅이 저울에서는 추를 적절히 이동시키지 않으면 안 된다. 손님이 붐비는 상점이나 많은 사람의 체중 측정 등은 용수철 저울쪽이 시간적으로 편리하다.

밀도

액체의 밀도

液體－密度 액체와 고체를 통틀어서 응축계라고 일컫는다. 분자 혹은 원자가 기체와 같이 각기 분리되어 있지 않고 적절한 정도로 달라붙어 있기 때문이다. 물(H2O)의 분자량은 18, 메틸 알코올(CH3COH)은 32, 에틸 알코올(C2H5OH)은 46, 벤젠(C6H6)은 78, 아세톤(CH3OCH3)은 58인데, 이것들의 밀도는 상온의 상태의 순서로 1, 0.793, 0.789, 0.879, 0.791이다. 결코 분자량에 비례하지는 않는다. 에틸 알코올이나 아세톤은 확실히 하나의 분자량의 질량도 크지만, 분자의 부피도 크다. 따라서 일정한 부피 속에 들어 있는 분자수는 적어져서 분자의 질량 크기를 상쇄해버린다. 특히 유기분자는 형태가 복잡해서 간단한 형태를 가진 분자와 같이 빽빽하게 채워지지 않는다고 생각된다. 이에 대해 수은은 원자가 구성요소이므로 형태가 간단하다. 그러면서 원자 하나의 질량은 크다. 물(용매) 속에 다른 물질(용질)을 녹인 용액의 밀도는 어떠할까. 이 경우에 중요한 것은 용질이 자료 전체에 골고루 녹아 있지 않으면 정확한 밀도는 측정할 수 없다는 점이다. 용질 분자가 매우 무거울 때에는 용기의 밑부분이 진해지는 경우가 있다. 또 용질의 진한 부분과 묽은 부분으로 뚜렷하게 구분이 되는 경우도 있다. 이와 같은 때에는 자료의 밀도가 일률적이 되지 못한다. 고체인 경우에도 용액과 마찬가지로 순수 물질에 다른 물질을 녹여 넣는 경우가 있다. 이를 고용체라고 하는데, 고용체라도 용질 물질의 농도가 고르지 않으면 밀도는 부분 부분이 달라진다.

고체의 밀도

固體－密度 고체를 구성하는 원자는 액체와 달리 규칙적으로 배열되어 있다. 보통 공 모양의 구슬은 가지런히 배열된 것이 조밀하게 채워지는 일이 많다. 이 때문에 일반적으로 융해 온도에서 같은 종류의 액체와 고체와의 밀도를 비교하면, 후자쪽이 2%에서 수십% 정도 크다. 그러나 때로는 물과 같이 융해에 의해 밀도가 증가하는 특례도 있다. 이것은 물 분자가 지닌 특별한 성질로, 빙산이 해면에 뜨는 것도 이 때문이다. 단, 얼음의 밀도는 0.917g/㎤로 1에 가까우므로 부력의 원리에 의해 빙산의 대부분은 해면 밑으로 잠기고 1할 미만이 해면 위에 모습을 보이게 되는 것이다. 각기 다른 물질의 고체 밀도가 다른 것은 다음의 세 가지 이유 때문이다. ① 원자량(또는 원자 1개의 질량)이 다르기 때문에, ② 배열의 형태가 다르기 때문에, ③ 배열의 형태가 같더라도 원자 간격이 다르기 때문이다. 실제의 원자 간격은 동(銅)이 짧으며, 이어 백금, 금, 은은 거의 같다. 이를 고려하여 계산해보면, 실험으로 얻어진 밀도와 꼭 일치한 수치가 된다. 또한 어떤 부피를 가진 물질의 질량과 그것과 같은 부피를 가진 4℃의 물의 질량과의 비율을 비중이라 한다. 수치는 밀도와 같지만, 밀도가 g/㎤로 표시되는데 대해 비중은 디멘션을 갖지 않은 단순한 수치가 된다.

물질의 형성

그리스 시대부터 자연계는 소수의 기본적인 물질에 의해 구성되어 왔다고 생각되고 있었다. 예를 들면, 아리스토텔레스는 다섯 가지의 원소로 공기·물·흙·불·에너지를 생각하고, 이것들이 서로 섞이고 또 변이하여 일상적으로 경험하는 갖가지 자연 현상을 일으키는 것이라 믿었다. 당시의 데모크리토스는 물질이란 최종적으로 분할할 수 없는 입자로 구성된 것이라 믿고, 이것에 아톰(이 이상은 나눌 수 없는 입자라는 뜻)이라는 이름을 붙였다. 아톰이란, 현재의 과학에서 말하는 원자로서, 그리스 시대의 사상은 현재에도 살아있는 것이 된다. 하지만 물질을 형성하는 요소는 당시의 학자가 생각했던 소수의 것이 아니고 92종류의 원소로 이루어졌음은 19세기에서 20세기에 걸쳐서 확실해졌다.

확산

擴散 물 속에 빨간 잉크 한 방울을 떨구면, 처음엔 낙하점 언저리만이 붉어지지만 마침내는 용기 속의 액체가 고르게 핑크빛이 된다. 이와 같이 액체나 기체 속에 다른 물질이 섞이고, 그것이 조금씩 번져가다가 마지막에는 일률적인 농도로 바뀌는 현상을 확산이라 한다. 물 속에 잉크가 확산했을 때 그 액체의 어느 부분을 떠 보아도, 아무리 소량을 떠 보더라도 핑크빛으로 변해 있다는 점에서 잉크는 물 속의 구석구석까지 번져갔음을 알 수 있다. 기체의 경우는 어떤가. 기체는 액체보다도 더 빠른 확산 현상이 일어난다. 예를 들면, 산소만 넣은 용기와 질소만 넣은 용기를 접촉시켜서 경계의 막을 떼어내면 양자는 서로 섞인다. 실제로 우리들의 주위에 있는 공기는 이와 같은 산소와 질소의 혼합물인 것이다.

용해

溶解 액체 속에 물체가 녹아들어가는 현상을 용해라고 한다. 물 속에 소금이나 설탕이 녹아들었을 때 그 물의 어느 부분을 핥아보아도 소금 또는 설탕의 맛이 난다. 즉, 녹아든 물질은 물 속에 널리 일률적으로 번져진 것이다. 식염이 포함된 물을 끓여서 수분을 증발시키면 용기 밑바닥에 식염이 남는다. 이렇게 볼 때, 물질이란 매우 작은 요소로 분할되지만 그 분할된 것이 어디까지나 그 물질의 성질을 보유하고 있음을 알 수 있다. 용해 혹은 확산의 현상으로 보아, 물질은 매우 작은 입자로 형성되었다는 결론을 얻을 수 있다. 이 입자가 어떤 어떤 것인가에 대하여는 화학 반응을 하는 경우 물질의 질량 등을 세밀하게 측정함으로써 분명해졌다.