우주를 품은 원소 주기율표

주기율표로 세상을 읽다 - 우주, 지구, 인체를 이해하는 또 하나의 방법
요시다 다카요시 지음, 박현미 옮김 / 해나무 / 2017년 3월

 아마 대부분의 학생들에게 원소 주기율표는 암기해야 할 지루한 학습 내용물 중 하나일 것 같다. 나 역시 그랬고 이 책의 저자에게도 그랬다고 한다. 이 책은 작년에 읽으며 청소년들이 읽으면 좋겠다고 생각했었다. 주기율의 깊은 의미를 대략적으로라도 살펴본다면 주기율표가 너무도 체계적이어서 아름답다는 것을 느낄 수 있을 것 같다.

 저자의 이력이 독특하다.

 도쿄대학 대학원 공학계 연구과를 졸업하고 NHK에서 아나운서로 활동하다가 기타사토대학에서 의학을 공부해서 의사면허를 땄다. 그리고 의사로서 활동하면서 저술을 하고 텔레비전 프로그램에 출연한다고 한다.

 고등학교 때 배운 주기율표가 삶에 도움이 된다는 사실을 깨닫지 못했고 재미를 느끼지 못했던 것은 주기율표 교육에 문제가 있기 때문이라는 생각에서 이 책을 썼다고 한다.

주기율표에는 무엇이 적혀 있나?

 화학적 성질이 비슷한 원소들은 일정한 간격을 두고 주기적으로 나타난다. 이렇게 원소가 가지는 주기에 따라 표를 만들었기 때문에 주기율표라는 이름이 붙었다. 주기율표는 원소가 자아내는 주기의 아름답고 조화된 세계를 풍성하게 표현해낸다.

 칼륨은 신경과 근육의 세포를 움직이는데 필수적인 원소라서 인체는 칼륨을 적극적으로 칼륨을 받아들이려고 하는데 세슘이 있으면 세슘을 칼륨이라고 착각하고 받아들인다고 한다. 방사성 세슘은 위암, 폐암, 대장암, 백혈병 등 온갖 악성 종양의 원인이 된다. 왜냐면 이 둘이 알칼리 족으로 원자가 전자가 1개이기 때문이다.

화학반응을 반복하는 신체

 인체는 수소, 산소, 탄소, 질소로 이루어진 정밀 장치이다. 인체에서의 함유량이 적은 원소일수록 주기율표의 아래쪽에 위치한다. 인체를 구성하는 모든 원소는 지구가 탄생하기 이전에 우주에서 탄생한 것이다.

헬륨 세 개가 결합하여 탄소가 생성되고 이 풍부한 탄소를 구성 원소로 탄생한 것이 지구상의 생명들이다.

 우주에 조금밖에 있지 않은 금속은 독성이 있을 가능성이 높다. 생명은 38억년의 역사 속에서 주위의 환경에 있는 원소를 어떻게 하면 이용할 수 있을지 궁리하며 진화해왔다. 철 마그네슘, 아연도 주위에 풍부하게 존재했기에 생명은 그 원소들을 다 이용할 수 있었다.

우리는 어떤 원리로 움직이는가?

 동물의 특성을 결정짓는 것은 근육과 신경이다. 얼핏 보면 다른 것처럼 보이는 신경과 근육은 기본적으로 구조가 거의 비슷해서, 나트륨과 칼륨이 기능을 담당한다. 나트륨과 칼륨의 전자 궤도의 배치가 많이 닮았고 성질도 상당히 비슷하다. 이것을 표현 한 것도 주기율표이다.

 우리의 선조가 아직 물고기 상태였던 바닷속에는 천지가 온통 나트륨 천지였다. 그런데 육지로 진출하자 나트륨 부족 환경에 직면하고 뇌 속에 나트륨을 받아들이고 싶어 못 참겠다는 특별한 장치가 마련되었다. 이를 ‘식염욕구’라고 한다.

희토류는 삐져나온 게 아니다.

 지구 표면에 소량밖에 존재하지 않는, 간단히 채취할 수 없기 때문에 희소의 가치를 지니는 금속을 통칭하여 ‘희유금속’이라고 하고, 희유금속 중 3족의 6주기까지의 원소를 희토류라고 한다. 희토류는 희유 금속의 일부이다.

아름다운 희유기체

 18족 원소는 모두 가스, 기체이다. 대부분 기체는 원자 두 개가 결합하여 존재하지만 희유기체는 원자 한 개가 단독으로 기체가 된다. 그래서 희유기체는 다른 원자와 반응하지 않는다.

독성을 지닌 원소들

 주기율표에서 인체가 자주 사용하는 원소의 바로 아래에 있는 원소는 독성이 있는 경우가 많다. 전이 원소로 가로 방향으로 원소의 성질이 거의 같다. 건강에 유익한지에 관해서도 예외는 아니다.

 카드뮴과 수은은 화학적인 성질이 아연과 닮았기 때문에 아연을 흡수하는 경로를 따라서 인체에 흡수하게 된다. 아연은 100종류가 넘는 효소가 활성화 되도록 하고 정자의 세포 분열도 아연에 의해 활성화된 효소가 필요하다.

 이타이이타이병의 카드뮴이나 미나마타병을 일으키는 수은은 아연과 12족 원소들이다. 아연이 몸에 부족하면 수은이나 카드뮴이 체내로 들어오기 쉬운데 그렇다고 아연을 과잉 섭취하면 좋은 콜레스테롤의 수치가 줄어들게 된다.

 전형원소는 족(세로 방향)별로 원소를 살펴봐야 하지만 전이원소는 주기별(가로 방향)로 원소를 살펴봐야 한다.

 인류가 언제까지 번영할지 모르지만 적어도 태양이 적색거성이 되어 팽창하는 50억년 후에는 지구상의 생명은 모두 죽음에 이르게 된다. 하지만 그 이후에도 우주가 존재하는 한 원소는 계속 원소로 존재한다.

“주기율표의 본질은 과학이 도달한 만다라다.”

이것이 저자가 마지막으로 하고 싶은 말이라고 한다.

 정확한 관점을 가지고 주기율표를 바라보면 우주와 생명의 신비를 생생한 형태로 읽을 수 있다. 그만큼 인생이 풍요로워질 것이다. 

여성 천문 학자 헨리에타 리비트

리비트의 별 - 우주 크기의 실마리를 푼 여성 천문학자 헨리에타 리비트의 수수께끼 같은 이야기
조지 존슨 지음, 김희준 옮김, 이명균 감수 / 궁리 / 2011년 10월

 별의 거리 측정을 하는데 기준이 되는 변광성의 존재를 알아낸 헨리에타 리비트에 대해 쓴 책이다. 전기라고 하기 어려운 이유는 리비트에 대한 자료는 거의 남아있지 않기 때문이다. 당시 여성은 과학자 특히 천문학자가 될 수 없었고 단순히 관측된 별을 비교하며 자료화하는 단순한 일밖에 할 수 없던 시대였다.

  관측 자료를 꼼꼼하게 처리하고 데이터화하며 규칙까지 발견했던 리비트는 스스로 천문학자라고 칭하고 싶어 했고 천문학자이길 꿈꿨다. 그동안 과소평가되었고 인정받지 못했지만 리비트의 발견이 있었기에 별까지의 거리 측정이 가능해졌고 천문학계에 큰 공헌을 한 것에 대해 이제라도 제대로 평가되어야 할 것 같다.

  단순히 리비트에 대한 이야기를 뛰어넘어 천체의 거리측정 방법 등과 당시 천문학계의 흐름에 대해서도 나와 있고 두껍지도 않아 청소년들에게 권하고 싶은 책이다.

소립자 이야기

재밌어서 밤새읽는 소립자 이야기 ㅣ 재밌어서 밤새 읽는 시리즈
다케우치 카오루 지음, 조민정 옮김, 정성헌 감수 / 더숲 / 2015년 12월

  어려운 과학 내용을 쉽게 풀어서 이해하기 쉽고 재미있게 쓰여 있는 ‘밤새 읽는’ 시리즈답게 친절한 설명으로 소립자에 대해 알려준다.

1장 재밌어서 밤새 읽는 소립자 이야기

  물리학자는 대조적인 성격의 ‘이론 물리학자’와 ‘실험 물리학자’로 나뉘며 그 가운데서 가교역할을 하는 ‘현상론 연구자’들이 있다는 이야기와 파인만과 겔만의 예를 들며 소립자의 이름이 쿼크로 정해지기까지의 숨은 일화를 소개하며 흥미를 높이고 있다.

  지금까지 물리학자들은 물질을 만드는 소립자(쿼크와 렙톤) 12종류와 이를 연결하여 물질을 구성하는 소립자(보손) 4종류를 알아내었다고 한다. 물질 사이의 상호작용을 매개하는 글루온은 퀴크를 붙이는 역할을 하고, 광자는 (+)전하와 (-)전하 사이에서 작용을 하고 위크보손은 뉴트리노의 반응에 작용한다고 한다.

  마지막으로 발견한 것이 ‘힉스’입자인데 질량을 부여하는 입자이다. 광자와 글루온이 없으면 원자가 존재할 수 없듯이 역시 힉스 입자가 없어도 원자는 존재할 수 없다.

  질량이 0인 입자는 빛의 속도로 움직인다. 브레이크가 없이 날다 어떤 물질과 부딪쳐 반응하면 소멸한다. 입자의 질량이 0이라는 것은 양성자와 중성자로 구성된 원자핵이 생길 수 없다는 말과 같고 우주의 물질, 인간, 생물, 천체도 모두 존재할 수 없다는 말과 같다. 광자는 유일하게 힉스 입자의 영향을 받지 않는 소립자다.

2장 힉스 입자와 초끈이론 이야기

  ‘양자’는 물리학의 최소 단위이고 알갱이의 이미지가 떠오르지만 ‘장(field)’이다. 고전적 의미의 장은 무한대로 작은 용수철이 가득 차있는 형태인데 양자장은 최소의 단위가 있는 장이고 디지털 장이다. 소립자의 본질은 양자장이다.

  뉴턴 방정식은 틀린 것이 아니라 ‘천천히 움직이는 물체일 때는 맞지만 물체가 광속에 가깝게 움직일 때는 그 오차를 수정할 필요가 있다.’는 것이며 그 수정 부분이 아인슈타인의 상대성 이론이라고 한다.

  20세기 초 인류 문화가 크게 진보했던 까닭은 어쩌면 ‘이 세계는 본질적으로 모호하다. 절대적으로 정해진 세계가 아니다.’라는 점을 깨달았기 때문이 아닐까라고 저자는 말한다. 흥미롭게도 그와 동시대에 미술계에는 피카소가 등장했다.

  만약 소립자에 불확정성이 없다면, 그러니까 이 세계가 양자로 이루어져 있지 않았다면 이 세계는 붕괴해버리고 말 것이다. 전자는 관측이나 상호 작용이 있을 때 비로소 어느 위치에 수렴된다. 그래서 관측될 때까지 실체가 없다. 소립자는 상호작용으로 장소가 확정되는데, 이는 곧 ‘상호작용이 없으면 장소는 확정되지 않는다’라는 의미이기도 하다.

 물리학의 사고는 점점 구체적 물질에서 추상적 개념으로 변하고 소립자나 양자장도 물질은 아니다. 소립자의 세계는 1센티미터를 10으로 33번 나눈 세계이므로 실험 자체가 불가능하다.

3장 시공과 우주 창조 이야기

  물질이 고정되어 빛이 보이게 될 때까지 30만년이 걸렸다. 그래서 우리는 우주 탄생 후 30만년 뒤의 모습을 겨우 망원경으로 관측할 수 있게 된 것이다.

  사소한 차이 불균형으로 대칭성이 파괴된다. 소립자의 세계에서 승자인 물질이 반물질보다 조금 많아 모두 독점해버리는 바람에 우주 전체의 물질이 되어 버렸다. 기본적으로 우주 발전은 전부 자발적 대칭성의 파괴에 의해 이루어진다. 하지만 어째서 자발적 대칭성의 파괴가 일어났는지는 현재로서는 알 수 없다고 한다.

  서브쿼크 이론 등도 제안되었지만 현재로서는 가설일 뿐 실험으로 밝혀낼 수 있는 이론은 아니다. 초끈이론에 의하면 평행우주가 존재할 수 있지만 어디까지가 진짜이고 어디까지가 상상인지 알 수 없다. 물질을 취급했던 물리학은 아인슈타인의 등장으로 종말을 고했다고 한다.

  빅뱅이론도 몇 가지 가설이 있으며 그중 ‘빅뱅은 다른 우주와의 충돌이다.’라는 가설, ‘다른 우주가 분리되었다가 다시 중력으로 이어져 충돌하고 그래서 언젠가는 빅뱅이 또 일어날 것이다’라는 가설도 있다고 한다.

  현재 이 책에서 곧 밝혀질 것이라고 했던 힉스 입자는 이미 발견되었고 2013년 피터 힉스와 프랑수아 엥글레르가 힉스 입자의 이론적 확립을 업적으로 노벨물리학상을 받았다. 이를 바탕으로 더 많은 가설과 이론이 증명되면 현재의 많은 궁금증들도 풀릴 것이라 생각된다.

  청소년들을 위해 나온 책이지만 소립자에 대해 잘 모르는 나로서는 무척 친절한 책으로 느껴졌다. 하지만 내용의 오류도 보인다. 소립자와 블랙홀을 비교하여 설명하는 가운데 지구를 별이라고 하며 설명을 하고 있다.(82~83쪽) 소립자와 블랙홀을 비교하여 설명하기 위한 예라고 이해하고 넘어가기에는 독자들에게 특히 청소년 독자들에게 잘못된 정보를 줄 우려가 있어 꼭 내용이 수정되어야 할 것이라 생각된다. 

[100자평] 어메이징 그래비티

어메이징 그래비티 - 만화로 읽는 중력의 원리와 역사 ㅣ 어메이징 코믹스
조진호 글 그림 / 궁리 / 2012년 11월

중력이라는 하나의 주제에 대해 차근차근 시대별로 살펴보며 독자가 생각할 수 있게 만든다. 그러나 결코 어렵지 않아 청소년에게 꼭 추천하고 싶다.

학생들에게 권하고 싶은 과학책

친절한 화학 교과서 - 괴짜 엄마가 들려주는 흥미진진 화학 세계
유수진 지음, 반성희 그림, 김형진 감수 / 부키 / 2013년 11월

 음식을 만들 때도 내 가족을 위해 만든다면 조금 더 정성이 들어가기 마련인데 책도 그런 것 같다. 화학을 전공한 저자가 고3인 동생을 위해 만들었던 화학 정리 노트가 동생에게 좋은 점수를 안겨주었던 것을 기억하며 중학생인 딸을 위해 중학교 과학 중 화학에 관련된 내용을 책으로 썼다고 한다.

1장. 고체, 액체, 기체

2장. 분자의 운동

3장. 물질의 상태 변화와 열에너지

4장. 열에너지

5장. 원자

6장. 이온, 이온, 이온

7장. 화합물과 화학식

8장. 물질의 특성

9장. 이온과 전해질

  각 장마다 몇 개씩의 소제목으로 나뉘어 있다. 생활 속에서의 예와 함께 자세한 설명이 그림, 도표, 그래프 등과 함께 나온다. 한 주제가 끝날 때마다 간단하지만 심화된 보충 설명, 간단한 핵심정리, 주제와 관련된 읽기 자료, 확인 문제로 편성되어 있다.

  무엇보다 이 책의 장점은 필요한 설명들이 직접 옆에서 들려주는 것처럼 구어체로 되어 있는데  이해하기 쉽다는 점이다. 저자의 방송작가 경력이 밑바탕 된 것 같다. 중학교 교과서의 간단히 설명으로  오히려 학생들이 어렵게 느낄 수 있는 내용들에 대해 자세한 설명과 예들이 있어 호기심과 탐구력이 있는 중학생들의 궁금증을 해소할 수 있어 보인다.

  하나하나 개념을 이해하고 필요한 것들을 암기하며 공부한다면 과학은 흥미 있는 교과이다. 이 책에는 중학교 교과서를 조금 벗어나는 내용들도 있는데 조금 심화된 내용이 오히려 중학교에서 배우는 개념을 더 잘 이해 할 수 있도록 도와준다. 특히 6장과 7장은 이온과 화합물 화학식 등에 대해 심도 있게 다뤄 개념을 제대로 이해하고자 하는 중학생들에게 도움을 주고 화학에 대한 흥미도 느낄 것이라 생각된다.

  read 라는 보충자료 읽기 부분에는 초전도체, 고분자 화합물, 계면활성제, 불꽃반응, 스펙트럼 등에 대한 이야기가 나오는데 어렵지 않은 설명으로 되어있어 학생들이 재미있게 읽어볼 수 있게 되어 있다. 또한 check 라는 부분에 나오는 문제들을 풀어보면서 자신이 제대로 내용을 이해했는지 확인 해볼 수 있다. 화학을 잘하고 싶은 중학생이나 고등학교 화학을 배우기 전에 기초를 한 번 정리해보고 싶은 고등학생이라면 읽어보기를 권한다. 꼭 점수를 목적으로 하지 않더라도 읽는 동안 지적 즐거움을 느낄 수도 있을 것이다.