과학도서 - 원자 이야기 을 읽고 원자 이야기를 읽고

『원자 이야기』을 읽고
중학교 3학년 때인가... 난 처음으로 `원자` 라는 것과 자세하게 접할 수 있었다. 나에게 눈으로 볼 수 없는 미시적 세계는 참으로 흥미 있는 것이었다. 그런 때에 서점에서 이 책 『원자 이야기』를 봤고 원자에 관한 관심이 최고조에 달해있던 나는 뒤돌아 볼 것도 없이 이 책을 구입했다.
제목에서는 원자이야기... 라고 해 놓았지만, 제목과는 달리 이야기책이 아니고 일반 과학 서적이 늘 그렇듯이 여러 이론들을 조금 쉽게 나열해 놓은 것이다. 하지만 원자에 관심이 깊은 나는 이 책을 이야기책 읽듯이 재미있게 읽었다.
이 책은 데모크리토스가 원자론을 제창하던 때부터 이야기를 시작한다. 데모크리토스는 그리스 레오키포스의 제자로 그 스승의 영향을 받아 더 이상 자를 수 없는 최소의 입자, 원자를 생각해 냈다. 그러나 그의 생각은 그 시대의 보편적인 그리스인들의 사고 방식이나 가치관에 쉽게 받…(생략)

다. 그는 그 속에서 원자라는 단어를 발굴해 화려한 조명 아래 세웠다.

돌턴은 원자론에서 원자는 더 이상 쪼갤 수 없고 물질을 이루는 기본단위라고 하였다. 만약에 돌턴이 물에 대한 기체의 용해도를 가지고 원자론을 구상하고 일을 여기서 그쳤다면 그것은 뚜렷한 증거가 없는 단순한 추리에 불과한 것이다. 아울러 그의 원자론은 별 호응을 받지 못했을 것이다. 그러나 다행히도 그는 계속적인 실험을 통해 이 원자론에 대한 증거를 제시하였다. 그가 제시한 증거를 화학도들은 `배수비례의 법칙` 이라고 말한다. 배수비례의 법칙은 우리들이 화학시간에 이미 배운바 있어 더 이상 언급 안 하겠다. 그러나 `원자는 정말로 쪼갤 수 없는 것일까?` 이 물음에 대한 답은 톰슨의 역사적 실험에 의해 밝혀진다.

톰슨은 음극선 실험에 의하여 음극선을 이루는 입자가 원자보다 작은 궁극적 기본 입자라는 주장을 하였다. 이 실험은 복잡하진 않지만 기술하기 어려우므로 그냥 넘어가겠다. 그리고 마침내, 그는 원자 중에서 전자라는 입자를 떼어내었다. 자, 그러면 원자는 어떤 물질들로 구성되어진 것이란 것을 알았다. 그러면 전자 외의 구성물질은 무엇일까?

톰슨의 제자 중에 러더퍼드란 학자가 있었다. 그는 톰슨의 지휘하에 활기를 띠고 있던, 케임브리지의 캐번디시 연구소에 유학을 오게 되었다. 처음에 그는 톰슨 밑에서 라디오 수신기에 관한 연구를 하였으나 곧 연구의 방향을 방사선 쪽으로 바꾸었다. 모든 역사적 인물들은 내 생각엔, 인생에 어떤 드라마틱한 요소들이 있다고 여겨진다. 러더퍼드는 왜 연구의 방향을 바꾸었을까?... ^^;-

그를 계기로 그는 방사선과 원자의 내부구조에 관한 심도 있는 연구를 하게 되었다. 그리고 결국 알파선 산란 실험에 의해 원자핵 -전자 외의 원자 구성 물질을 찾아낸다. 그러면 여기서 또 하나의 물음이 생긴다. (자꾸 질문만 해서 뭣하지만...) 그러면 `원자핵과 전자는 어떤 모습으로 원자를 구성하는가?` 당연히 생길만한 질문이다. 이 대답은 천재적인 발상의 주인공인 보어에 의해 어느 정도 해결될 듯 싶었다.

보어는 지구가 태양 주위를 공전하듯이 전자도 원자핵 주위를 어떤 궤도를 따라 돌 것이라 했다. 사실 이것은 러더퍼드도 생각했었다. 그러나 그는 한 걸음 더 나아가서 러더퍼드의 이론의 단점을 보완한 어떤 `특정한` 궤도를 돈다고 했고 스펙트럼과 여러 수식들을 이용해 증명해냈다. 하지만 그의 이론은 수소 이상의 즉 전자가 둘 이상의 원자는 설명할 수 없었다...

지금까지 읽었던 내용은 화학 수업 시간에 어느 정도 아니 거의 다 들었던 내용이어서 생소하지 않았고 별 부담 없이 읽을 수 있었다. 그러나 다음 장 부턴 미시적 세계의 역학 -양자 역학- 이라는 어려운 개념의 현대 물리를 소개하고 있었다. 쉽게 풀어썼다 하지만 여전히 어려웠다.(아직도 이해 안가는 부분이 많다)

보어의 이론이 수소 이상의 원자들에서 설명이 안 된다는 것을 알고 많은 학자들이 보어의 이론을 보완하는 여러 이론을 내놓았다. 그러나 썩 만족스런 이론은 나오지 않았다. 한편 하이젠베르그라는 젊은이는 보어가 개설한 코펜하겐의 이론물리학 연구소의 한 곳에서 보어의 이론을 일부 보완, 수정이 아닌 전면적으로 재검토할 필요성을 느낀다. 결국 25세의 젊은 나이에 하이젠베르그는 세상사람들을 깜짝 놀라게 한 이론 `불확정성의 원리`를 내놓는다. 이 이론을 요약해서 말하자면 전자와 같은 미시적 입자는 위치와 속도를 동시에 측정하는 것이 불가능하다는 것이다. 결국 전자는 어디 있는지 확률로만 알 수 있으며 따라서 위치와 속도 동시 측정이 가능하다고 하는 고전역학은 미시적 세계에서는 아무 쓸모도 없는 존재로 전락하고 만 것이다.

그리고 그 확률을 구하는 방정식을 슈뢰딩거라는 사람이 만들었다. 여기서 우리가 화학 수업시간에 배운 바 있는 오비탈이 등장하는 것이다.

마지막으로 이 책은 오비탈에 관한 설명, 그리고 `원자` 하면 빼놓을 수 없는 원자폭탄의 얘기 -너무나도 유명한 `히로시마` 와 `나가사키` 원폭 투하- 로 마무리 짓는다.

책이 너무나 재미있는 나머지, 마지막 쪽을 덮고 시계를 봤을 땐 겨우(?) 2시간이 지나 있었다. 2시간이 결코 짧은 시간은 아니지만 웬만한 과학서적 한 권 읽는 거 치곤 짧은 편이라고 생각한다. 아무튼 그만큼 이 책이 재미있었고 나 또한 책에 심취해있었다. 어쩌면 -확실치 않지만...- 앞으로 원자... 미시적 세계에 관해 연구하게 될지도 모른다. 바란다고 되는 건 아니지만 ^^, 따라서 더 많은 책들을 구입해 읽어봐야겠다.

마지막으로, 이 책을... -남들은 재미없다고 할지 모르지만- 되도록 많은 사람들에게 권해보고 싶다는 말로 이글을 마무리 짓는다..