원소의 발견을 둘러싼 미완의 프로젝트

원소에서 현대 주기율표, 물리학의 침범, 합성 원소까지
2019 "국제주기율표의 해"를 맞아 미시세계로 안내한다!


"주기율표는 자연의 로제타석이다. 화학자에게 주기율표는 물질의 구성 원리, 즉 화학의 구성 원리를 드러내는 자료다. (…) 어쩌면 화학의 전부가 주기율표에서 시작된다고 말하는 편이 더 적절할 수도 있겠다." _루디 바움, 〈케미컬 & 엔지니어링 뉴스〉 편집장

"주기율표는 인간이 지금까지 고안한 것 중 가장 압축적이고 유의미한 지식 꾸러미일 것이다. (…) 주기율표의 역사는 곧 인류가 미시세계를 정복해온 위대한 이야기다." _할로 섀플리, 천문학자

"주기율표는 (…) 세상이 가장 미시적인 수준에서 어떻게 조직되어 있는가를 이해하게끔 해주는 모형이다." _로버트 힉스, 화학사학자



2019년은 유네스코와 유엔이 정한 "국제주기율표의 해"다. 러시아 화학자 드미트리 멘델레예프가 최초의 현대적 주기율표를 발표한 해가 꼭 150년 전인 1869년이다. 주기율표는 과학의 상징이나 다름없다. 그리고 자연과학의 어느 분야를 연구하든 주기율표에 대한 이해가 꼭 필요하다. 이 책에서 저자 에릭 셰리는 과학자들이 주기율표 속 원소들에 관한 지식을 어떻게 얻었는지, 그리고 그 지식의 의미를 더 폭넓은 맥락에서 살펴본다. 또한 주기율표의 발전에 기여했던 주요 인물들을 소개하고, 초기 원자 이론과 양자역학처럼 역시 주기율표의 발전에 기여했던 핵심적 이론들을 짚어본다. 나아가 최적의 주기율표라는 것이 과연 존재하는가 하는 논쟁적 질문을 제기하고, 만약 그런 것이 가능하다면 그 형태는 어떨지 생각해본다. 주기율표에는 여러 형태가 있다. 3차원도 있고, 타원형도 있다. 주기율표가 "완성된 프로젝트"인 것도 아니다. 원소번호 118번 너머의 원소들을 인공적으로 합성하려는 노력도 이루어지고 있는 만큼, 장차 주기율표에는 새 주기가 생길 것이다. 물리학이 아직 주기율표를 온전히 설명해내지 못하는 부분들이 있고, 그것이 현재 물리학의 한계인지 주기율표의 한계인지도 아직은 모른다.

주기율표에 담긴 질서
주기율표의 특별한 점은 그것이 단순하고 친숙한 도표이면서도 과학에서 정말로 근본적인 지위를 차지한다는 것이다. 주기율표는 모든 물질을 구성하는 가장 기본적인 요소들을 조직한 체계라고 할 수 있다. 주기율표에 담긴 질서는 원자의 구조를 더 깊이 이해하게 해주고, 전자가 특수한 껍질과 오비탈(궤도 함수)에 담겨서 핵 주변을 돈다는 개념도 더 깊이 이해하도록 해주었다. 더 중요한 것은, 과학자들이 원래 주기율표를 이해하고자 발전시켰던 원자 구조 지식이 이후 과학의 다른 분야들에도 널리 적용되었다는 점이다. 원자 구조에 관한 지식은 처음에는 양자 이론에, 이후에는 양자역학에 기여했다. 양자역학은 지금까지도 물리학의 근본 이론으로 기능하면서 가시광선, 엑스선, 자외선 등 모든 복사선의 행태까지 설명해준다. "19세기에 이루어진 대부분의 과학적 발견들과는 달리, 주기율표는 20세기와 21세기의 발견들로 인해 반박되지 않았다. 그렇기는커녕 특히 현대 물리학의 발견들은 과학자들이 주기율표를 더 가다듬고 그때까지 남아 있던 몇몇 변칙적 사실을 정리하는 데 도움이 되었다. 어쨌든 주기율표의 전반적인 형태와 타당성은 조금도 손상되지 않았으며, 이 사실은 이 지식 체계의 놀라운 힘과 깊이를 증명하는 또하나의 증거다."

원소의 발견과 흥미로운 명명법
추상적인 원소 개념은 주기율표의 제일 중요한 발견자인 멘델레예프를 비롯하여 주기율표를 개척했던 연구자들에게 길잡이 원리로 기능했다. 오늘날의 교과서들은 화학이 원소의 성질을 신비주의적으로 설명하는 고대의 시각으로부터 등을 돌렸을 때 비로소 제대로 시작되었다고 말한다. 앙투안 라부아지에는 원소란 아직 그보다 더 근본적인 구성 요소로 분해된다는 사실이 확인되지 않은 물질이라고 정의했다. 1789년에 그는 33가지 단순한 물질, 즉 원소의 목록을 발표했다. 이 목록에는 현대의 기준으로도 원소로 분류되는 물질이 많지만 빛과 열처럼 지금은 원소로 간주되지 않는 물질도 있다. 이후 화학물질을 분리하고 그 성질을 알아내는 기술이 빠르게 발전함에 따라, 화학자들은 이 목록을 더 확장할 수 있었다. 오늘날 자연에 존재하는 원소는 약 90종으로 파악되고 있다. 게다가 인공적으로 합성된 원소도 25종이 넘는다. 철, 구리, 금, 은 같은 몇몇 원소는 인류 문명이 시작되었을 때부터 알려져 있었다. 주기율표에 등장하는 원소들은 그 성질만큼이나 이름도 흥미롭다. 61번 프로메튬은 프로메테우스 신의 이름을 땄고, 헬륨은 그리스어로 태양을 뜻하는 "헬리오스"에서 온 이름이다. 기체일 때 황록색을 띠는 염소(클로린)의 이름은 그리스어로 황록색을 뜻하는 "클로로스"에서 왔다. 세슘은 라틴어로 회청색을 뜻하는 "카이시움"에서 왔는데, 세슘의 스펙트럼에서 회청색 선이 두드러지기 때문이다. 또 발견자가 살았거나 기념하고 싶어한 장소에서 이름을 딴 아메리슘, 버클륨, 캘리포늄, 다름슈타튬, 유로퓸, 프랑슘, 저마늄, 하슘, 폴로늄, 갈륨, 하프늄(코펜하겐의 라틴어 이름 "하프니아"에서 왔다) 등도 있다.

주기율표의 "공동 발견자", 율리우스 로타어 마이어
과학계에 영향을 미친 최초의 주기율표를 발표한 사람은 독일 화학자 율리우스 로타어 마이어였다. 그러나 로타어 마이어는 제대로 된 주기율표를 누가 발견했는가 하는 문제에서 보통 멘델레예프에 뒤진 인물로 여겨진다. 저자 에릭 셰리는 "이 평가는 대체로 옳지만 로타어 마이어의 연구에는 그를 차점자가 아니라 공동 발견자로 여겨도 무방하다고 보게 만드는 측면들이 많이 있다"고 지적한다. 1864년에 출간된 로타어 마이어의 이론화학 교과서에는 그의 두 주기율표가 실려 있었다. 원소 22개를 포함한 두번째 표도 원소들을 대체로 원자량 오름차순으로 배열했다. 로타어 마이어의 접근법은 이론화학적 혹은 물리화학적 접근법이었는데, 원소의 밀도, 원자 부피, 녹는점 같은 정량적 성질을 화학적 성질보다 중시했다. 그 역시 주기율표에 빈칸을 남겨두었고, 언젠가 그 빈칸을 채울 원소의 성질을 예측하려는 시도도 해보았다. 로타어 마이어의 예측 중 하나는 1886년에 분리되어 저마늄이라고 명명될 원소가 존재할 것이라는 예상이었다. 멘델레예프와는 달리 로타어 마이어는 모든 물질이 본질적으로는 동일하다고 믿었으며, 원소들도 합성물일 것이라는 프라우트의 가설을 지지했다. 1868년에 로타어 마이어는 교과서 개정판을 준비하면서 기존 주기율표를 확장하여 총 53개의 알려진 원소를 포함시켰는데, 출판사가 이 표를 잃어버린 탓에 교과서나 다른 학술지에도 실리지 못했다. "그때 이 표가 알려졌더라면, 자신이 먼저 주기율표를 발견했다는 멘델레예프의 주장이 지금처럼 무게 있게 받아들여지지 못했을 수도 있다"고 저자는 지적한다.

로스앤젤레스 캘리포니아 대학(UCLA)에서 화학, 과학사, 과학철학을 가르친다. 『주기율표: 역사와 의미』(OUP, 2007)를 비롯하여 여러 종의 책을 썼다. 학술지와 대중 과학 잡지에 백 편이 넘는 논문과 기사를 썼고, 세계 곳곳에서 자주 강연한다.

서론
1. 원소
2. 간략하게 살펴본 현대 주기율표
3. 원자량, 세쌍원소, 프라우트
4. 주기율표를 향하여
5. 러시아의 천재, 멘델레예프
6. 주기율표를 침범한 물리학
7. 전자 구조
8. 양자역학
9. 현대의 연금술: 미발견 원소에서 합성 원소로
10. 주기율표의 다양한 형태
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