초등학생을 위한 양자역학 3

초등학생을 위한 양자역학 3 - 슈뢰딩거의 고양이 ㅣ 초등학생을 위한 양자역학 3
홍승우 그림, 이억주 글, 최준곤 감수, 어린이과학동아 편집부 기획 / 해나무 / 2020년 10월

어린이과학동아에서 연재가 된 학습만화로된 양자역학이야기 입니다. 양자역학에 대해서 쉽게 설명해주기 때문에 과학책을 많이 읽거나 과학에 관심이 많은 아이들이라면 양자역학에 대해서는 많이 들어보고 관심을 가지고 있습니다. 그러나 막상 양자역학에 대해서 설명해 보라고 한다면 너무나 광범위한 범위라서 어디서 부터 설명을 할지가 난감하기도 합니다. 그래서 이 책 [초등학생을 위한 양자역학]은 양자역학에 대해서 초등학생을 대상으로 재미있게 학습만화로 풀어쓴 책이라서 아이들이 더욱 편하게 읽을수 있을것 같아서 선택한 책이기도 합니다. 전편인 1권과 2권에서는 주인공인 정다운과 믹스강아지가 시간이동을 하게 되면서 양자역학과 관련된 많은 과학자들을 만나면서 과학의 법칙을 공부하고 연관을 지어서 설명해주었습니다. 그러나 잦은 공간이동의 의문점을 가지면서 자신들의 공간이동의 비밀을 풀수 있게 되는 과정을 알려줍니다.그리고 공간이동을 하게 되면서 자신들을 따라다니는 검은 그림자의 정체도 드러나게 됩니다.

[초등학생을 위한 양자역학 ] 3권에서도 다양한 과학자들과 법칙들을 풀어나갑니다. 예전에 2권에서 핵분열의 파급력을 설명하면서 그 영향력으로 무시무시한 결과를 얻을수 있다는 것을 알게됩니다. 그리고 반대로 이번에는 핵융합을 설명해줍니다. 수소의 원자핵들이 합쳐치면서 핵융합이 일어나는 과정을 배우게 됩니다. 수소원자핵인 양성자들이 결합해서 헬륨 원자핵으로 변하게 되는 이것이 바로 태양에서 일어나느 수소의 핵융합 반응이라고 알려줍니다. 태양에서 이렇게 핵융합이 연속적으로 일어나고 에너지를 만든다는 것을 알게 됩니다. 앞서 2권에서 설명한 핵분열과 3권에서 설명해주는 핵융합은 엄청난 에너지를 만들수 있고 이는 인류에서 도움을 줄수도 있고 큰 피해를 입게 할수도 있습니다. 그리고 주인공이 시간이동을 하고 싶을때 만난 과학자들의 물건을 받게 되면 다시 현재의 공간으로 이동을 하게 되는것을 주인공 정다운은 알게 됩니다.

원자의 구조에 대해서 공부를 하던 주인공 다운이와 민서는 볼프강 파울리의 연구실로 공간이동을 하게 됩니다.원자에 대해서는 전권에서 다루어진 과학자들이 수많은 원자론에 대해서 설명을 해주었어요. 돌턴이 물질은 더이상 쪼개질 수 없는 입자로 이루어졌다는 원자설을 발표했고 물리학자 톰슨은 원자속에 전자가 있다는 사실을 알아냈어요. 그리고 물리학자 러더퍼드도 알파입자 산란실험으로 원자핵을 발견했어요 . 이렇게 러더퍼드는 새로운 원자 모형을 만들었지만 허점이 있다는걸 알게 되었어요. 전자가 원자핵과 충동을 해야하는데 실제로는 그렇지 못했습니다. 그다음인 닐스보어가 전자는 원자핵 주위를 도는 궤도가 정해저 있다고 생각했어요. 전자가 한 궤도에서 다른궤도로 이동하면 그 에너지 차이에 알맞은 빛이 나오는 것을 설명합니다. 그래서 수소원자의 스텍트럼이 띄엄띄엄한 선처럼 생긴것을 설명해줍니다. 그렇다면 원자안의 전자들이 왜 원자핵 가까이에서 돌지 않고 넓게 퍼져있을까를 궁금해하였습니다. 핵 가까이에서 전자가 돌면 원자의 크기가 훨씬 작아야 하는데 그렇지 않다는것을 밝혀낸 원리입니다. 그것은 바로 '배타원리' 때문입니다. 배타는 따돌리거다 거부한다는 뜻인데 같은 상태의 전자를 거부하기 때문에 배타라고 부르는것입니다. 그래서 넓게 퍼지게 되는 이유가 설명이 됩니다.

원자의 세계에서는 위치와속도사이에 어떤 원리가 숨겨져 있는지를 확인할수 있는 방법은 없다고 해서 '불확정성의 원리' 가 나옵니다. 고전역학에서는 뉴턴의 운동법칙에 따라 물체의 속도를 알면 그 물체의 위치도 알수 있어요. 그 방법이 원자의 세계에서도 통할까 하는 생각으로 위치와속도 사이의 다른 원리를 찾아보게 됩니다. 전자의 위치를 정확하게 알면 운동량을 정확하게 알수 없게 되고 반대로 운동량을 알면 위치를 알수 없게 되기 때문에 결국 전자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 알수 없다는 '불확정성의 원리'를 설명하게 됩니다. 이러한 '불확정성의 원리'는 현실세계에서는 거의 느끼지 못하지만 이 원리는 모든 물리 현상의 기본으로 통한다는 것을 알수 있어요.

[ 초등학생을 위한 양자역학 ] 3권에서는 전자와 원자핵의 설명이 주를 이룹니다. 전자와 원자핵이 발견된 이후로 전자의 움직임에 대해 의견이 많았습니다. 빛의 이중성, 에너지의 양자화 , 상대성 이론까지 탐구하지만 전자의 운동을 설명하기에는 새로운 물리학의 필요성을 느꼈습니다.그렇게 새로운 물리학을 연구하다가 만들어낸 것이 바로 슈뢰딩거 파동 방정식입니다. 이는 측정을 통해서 전자의 에너지를 알 수 있고 그것과 짝을 이루는 '파동 함수'를 결정합니다. 파동함수는 전자가 특정 위치에 있을 확률을 알려줍니다. 이러한 확률은 전자의 위치는 우리가 생각하는 동전을 던젼을 때 나오는 앞뒷면의 50%확률이 아닌 양자역학에 따르면 전자의 위치는 관측하는 순간 결정이 됩니다. 

양자역학의 불완전함을 증명해보는 실험을 상사속 고양이를 넣고 하게 됩니다. 상자안에는 고양이를 죽일수 있는 청산, 망치, 방사성 원소가 담긴 병이 있어요 그리고 원소가 방사성 붕괴를 일으키면 스위치가 작동하면서 독극물이 상자안에 퍼지게 됩니다. 그렇다면 1시간이 지났을때 고양이가 살아 있을 확률은.....? 양자역학에 따르면 상자를 열기 전에는 고양이의 생사여부를 확률로만 알수 있어서 상자를 열어 고양이를 보는 순간 두가지 상태중 하나로 결정된다는 것이 양자역학의 결론이라고 볼수있어요. 여기 까지 이해하는데 몇번 책을 보면서 이해하고 또 이해했어요 . 문과다 보니 과학영역은 잘 이해가 안되서 말이죠~ 초등학생을 위한 양자역학이라고 절대 쉽지 않지만 그렇다고 책 자체가 양자역학에 대해서는 아주 잘 설명이 되어있어요~아이들 학습만화라고 쉽게 볼 과학영역은 아닌듯합니다. 이해하면서도 알듯 말듯 하지만 자꾸 반복해서 보다 보면은 쉽게 받아들여지니 양자역학에 관한 입문책으로는 아주 좋다고 생각합니다.

주인공 다운이와 민서 그리고 믹스가 시간이동을 반복적으로 하게 되면서 주인공의 뒤를 쫒는 검은 그림자를 알게 됩니다. 그들은 왜 아이들을 쫒아서 정체를 숨기고 있을까요?? 중간 중간 아이들의 시간이동중에 나타나서 궁금증을 유발하네요~ 아쉽지만 다음편에서 그들의 정체를 알게 됩니다.

어려운 양자역학을 쉽게 알려주는 학습 만화 시리즈는 이렇게 3권까지 나와있어요~지금까지 원자와 원자핵 을 배우고 익혔는데 다음권에는 어떤 내용으로 양자역학에 대해서 배울지 너무 기대가 되는 과학책입니다. 과학에 관심이 없어도 과학에 관심이 많아도 아이들이 볼수있는 양자역학책으로는 재미있어서 다음편이 얼른 나왔으면 좋겠어요.

별책부록으로 같이 나오는 과학자 카드로 과학자의이름과 업적을 동시에 익힐수도 있어요. 과학자별로 점수가 다르니 아이들과 랜덤 카드놀이를 할수도 있고 캐릭터의 표정과 행동을 흉내내는 게임도 할수 있어서 책을 읽고 난뒤에 학습활동을 할수 있어서 연계가 됩니다. 어려운 이름의 물리학자들을 쉽게 익힐수 있어서 도움이 많이 되네요.