주기율표의 탄생

원소 이야기 - 물·불·흙·공기부터 우리의 몸과 문명까지 세상을 만들고 바꾼 118개 원소의 특별한 연대기
팀 제임스 지음, 김주희 옮김 / 한빛비즈 / 2022년 7월

【 원소 이야기 】- 물·불·흙·공기부터 우리의 몸과 문명까지 세상을 만들고 바꾼 118개 원소의 특별한 연대기 _팀 제임스 / 한빛비즈

원소에 담긴 이야기는 무궁무진하다. 원소 주기율표는 세상의 모든 것을 설명해 줄 수 있다고 한다. 원소를 발견한 사람들, 발견되는 과정 등이 흥미롭게 이어진다. “원소는 자연이 우주를 요리하는 데 사용하는 재료이자 가장 순수한 물질이다. 요컨대 이 세상의 만물을 구성한다.”

그리스 철학자 헤라클레이토스는 불에 완전히 매료된 나머지 불이 현실을 구성하는 가장 순수한 물질이라 선언했다. 그에 따르면 만물은 어떠한 형태로 존재하든 불에서 탄생했다. 다시 말해 불은 원소였다. 자연에서 우리가 접하는 거의 모든 물질은 화합물이다. 17세기 후반에 이르러서 독일의 실험가 헤니히 브란트는 평범한 물질 안에 원소가 갇혀 있음을 증명했다. 우리가 순수하다고 생각했던 물질 대부분이 실제로는 순수하지 않았다는 것이다.

일부 원소들은 오래전부터 존재했기 때문에 누가 처음 발견했는지 알 수 없다. 구약 성서에는 금, 은, 철, 구리, 납, 주석, 황 등이 언급된다. 실제 원소 샘플을 얻지는 못하고, 그러한 원소가 존재하리라는 예측만 한 경우도 있다. 요한 아르프베드손은 페타라이트 덩어리 안에 아직 밝혀지지 않은 원소가 있다고 예측했다. 그 원소를 그리스어로 바위를 뜻하는 리토스라 불렀다. 실제 리튬이 순수한 형태로 분리된 것은 1821년 윌리엄 브랜디에 의해서였다.

주기율표의 탄생

앙투안 라부아지에가 공기는 질소와 산소의 혼합물이며 물은 수소와 산소의 화합물이라는 사실을 발견했다. 그 뒤 과학자들은 엠페도클레스의 4원소설을 폐기하고 진짜 원소를 얻기 위해 닥치는 대로 태우거나 녹이기 시작했다. 1789년까지 발견된 새로운 원소에 관한 모든 정보를 취합한 라부아지에는 전에 33종의 원소가 수록된 목록을 발표했다.

현대 주기율표가 등장하기 전에는 1863년 영국 화학자 존 뉴랜즈가 완성하려 했던 주기율표가 가장 유명했다. 당시에는 원자 무게 측정법이 스웨덴 화학자 옌스 베르셀리우스에 의해 정립되어있었다(그는 오늘날 우리가 사용하는 원소기호도 도입했다). 뉴랜즈는 베르셀리우스가 남긴 자료를 입수해 원소를 질량 오름차순으로 정렬했다. 이 작업을 하는 도중 음악에 쓰이는 음처럼 원소에도 주기적 규칙성이 있음을 발견했다. 그는 같은 논리를 원소 표에 적용했다.

1932년에 이르러 인류는 원소가 원자로 존재하며 원자는 양성자와 중성자, 전자로 이루어졌다는 사실을 알았다. 그런데 모든 원자가 똑같이 세 종류의 입자로 만들어졌다면 원소별 특성이 이토록 다른 이유는 무엇일까? 물리학자들이 현대 과학에 가장 중요한 이론 하나를 발견하면서 도출된 해결책이 마침내 주기율표의 최종 형태를 결정했다. 바로 양자역학이다. 주기율표를 만드는 과정에 도움이 된 양자역학이야기는 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거의 이론이 대표적이다.