세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 방사선과 원소 : 위대한 퀴리 가문의 탄생부터 주기율표의 완성까지

★ 전국 과학교사모임 추천 ★ 시민 과학 시대 필독서
★ 이공계 진학 예정자 필독서 ★ 세계 최초로 노벨상 수상자의 오리지널 논문을 다루는 책
★ 일대일 친절한 과학 수업 ★ 오리지널 논문 영문본 수록

눈에 보이지 않는 작은 세계의 문을 열다

우리를 둘러싼 모든 것, 그렇지만 눈에 보이지 않는 것들의 성질을 다루는 과학 분야가 무엇일까. 바로 화학이다. 화학 시간에 많은 학생의 발목을 잡는 것이 바로 ‘주기율표’다. “수헬리베붕탄질산플네…” 열심히 외워 보지만 돌아서면 잊어버리기 일쑤. 몇 해 전 주기율표의 7번째 가로줄, 즉 7주기가 모두 채워졌다. 이로써 과학계에서 공인한 원소는 모두 118개가 되었다. 주기율표의 작은 네모 칸 하나하나에는 우리가 미처 알지 못했던 깊은 사연들이 담겨 있다. 이 책에서는 주기율표가 완성되기까지 새롭게 발견된 원소에 관한 에피소드를 이야기한다. 퀴리 부부가 발견한 88번 원소 라듐(Ra)은 강력한 빛을 내는 원소로 인기를 끌었지만, 뒤늦게 알려진 방사능의 유해성으로 많은 피해가 발생했다. 베크렐에 의해 방사선을 내는 것으로 발견된 92번 원소 우라늄(U)은 후에 핵분열, 원자폭탄, 원자력 발전까지 이어졌다. 55번 원소 세슘(Cs)은 후쿠시마 원전 사고가 일어난 지 10년이 훌쩍 지난 지금도 원전 오염수의 해상 방류 이슈 때문에 우리에게 공포로 다가온다. 생활과 가까운 듯 멀게 느껴지는 ‘방사선’ 그리고 ‘원소’. 이 책에서는 특별히 미시 세계 탐구의 문을 연 마리 퀴리의 방사능 원소 발견(폴로늄과 라듐)을 중심으로 X선, 전자, 중성자, 주기율표, 핵분열에 이르기까지 현대사에도 큰 영향을 미쳤던 과학의 중요한 연구들을 다룬다. 그 정수를 담은 논문을 중심으로 과학자들의 실험 과정을 따라가 보자.

세상을 바꾼 새로운 물질의 발견, 그 빛과 그림자

과학은 발견의 역사라고 할 수 있다. 우연히 혹은 끊임없는 연구 가운데 이뤄낸 새로운 발견을 통해 인류 또한 발전에 발전을 거듭해 왔다. 이러한 위대한 발견이 마냥 좋은 영향만 끼친 것은 아니다. 〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈의 두 번째 책인 『세상에서 가장 쉬운 과학 수업 방사선과 원소』에서는 특별히 과학사의 의미 있는 발견들의 명과 암을 들여다본다. 인류에 공헌한 사람들에게 주는 노벨상을 제정한 알프레드 노벨. 안전한 폭약을 만들기 위해 연구하던 그는 다이너마이트를 발명했다. 다이너마이트는 더 강력하면서도 안전한 폭약으로 광산 개발에 유용하게 쓰였지만, 동시에 전쟁의 무기로도 사용되었다.

이 책의 중심 주제인 방사선. 퀴리 부부가 발견한 폴로늄과 라듐을 비롯하여 방사선을 내는 물질들이 과학자들에 의해 발견되고 연구되었다. 방사선은 의학 치료에도 사용되지만, 반대로 그 해악성은 과하게 노출된 사람들에게 심각한 피해를 낳았다. 마이트너 등에 의해 발견된 핵분열은 적은 양으로도 엄청난 에너지를 만들어 낸다. 이것은 미국에 의해 먼저 원자폭탄으로 개발되어, 일본의 히로시마와 나가사키에 투하되었다. 그리고 제2차 세계대전의 종식과 더불어 어마어마한 인명 피해를 불러왔다. 한편 핵분열은 현시대 가장 효율적인 원자력 발전으로 이용되지만, 그 위험성 때문에 원전 사고로 인한 영향도 여전히 진행 중이다. 이 책의 마지막 부분에는 과거의 체르노빌, 후쿠시마 원전 사고의 피해도 다루고 있다. 화학 물질을 좀 더 안전하게 사용하도록 개발하는 것은 현재와 미래의 과학에 주어진 과제다. 앞으로 과학계를 이끌어 나갈 독자 여러분이 이 책을 통해 인류를 위한 사명감을 갖기를, 그리고 과학을 더 사랑하는 마음이 커지기를 기대한다.

20세기 과학의 큰 진보를 가져온 4개의 논문

이 책의 이야기는 네 가지 위대한 논문을 중심으로 흘러간다. 인공 방사선이지만 최초의 방사선인 X선을 발견한 뢴트겐의 논문, 방전관에서 전자를 찾아낸 톰슨의 논문, 자연 방사능 원소인 폴로늄과 라듐을 발견한 퀴리 부부의 두 논문이 그것이다. X선과 전자는 방전관 실험을 통해 발견되었다. 따라서 앞부분에서 먼저 방전관의 역사에 대해 다룬다. 뢴트겐의 X선 발견은 베크렐, 퀴리 부부를 비롯한 과학자들의 방사선 연구로 이어졌다. 전자는 눈에 보이지 않는 원자보다 더 작은 존재로 드러난 최초의 소립자이다. 이 또한 방전관에서 톰슨의 반복적인 실험을 통해 확인되었다. 톰슨은 캐번디시 연구소에서 많은 유명한 과학자들을 제자로 길러냈다.

마리 퀴리의 폴로늄, 라듐 발견은 소립자 세계로의 문을 열었다. 이후 동위원소, 중성자, 인공 방사성 원소, 핵분열 발견 등으로 20세기 과학은 대전환을 맞이한다. 과학 시간에는 따로따로 배우는 내용들이지만, 하나의 발견이 다른 연구에 영향을 미치는 등 모두 유기적으로 연결되어 있음을 알 수 있다. 위대한 발견을 이룬 과학자들의 논문을 직접 읽기는 어렵다. 하지만 이 책에서는 정교수와 화학양의 대화를 빌어 논문을 완성하기까지 과학자들의 고뇌를 살펴보고, 논문에 담긴 정수를 맛볼 수 있다. 책의 뒤편에는 오리지널 논문의 영문본도 차례로 실려 있어 간접으로도 체험할 수 있다.

차별과 역경을 딛고 뛰어난 업적을 이룬 여성 과학자들

이 책에는 특별히 여성 과학자들이 여럿 등장한다. 방사선 연구를 시작하여 폴로늄과 라듐을 발견한 마리 퀴리, 그의 딸이자 인공 방사성 원소를 발견한 이렌 퀴리, 마리 퀴리의 조수로 프랑슘을 발견한 페레, 핵분열을 발견한 마이트너가 바로 그들이다. 당시에는 여성이 남성과 동등하게 과학 연구에 전념할 수 있는 여건이 충분하지 못했다. 공부를 계속하고 싶어도 교육의 기회가 닫혀 있었고, 실험실을 자유롭게 쓰는 것도 허락되지 않았다. 이러한 차별과 편견을 극복하고 과학사의 대전환을 가져온 큰 업적을 이룬 여성 과학자들의 이야기를 이 책에서 살펴보고자 한다.

과학의 발전과 함께 격동의 시대를 맞이하다

19세기 말 20세기 초는 인류사에서 격변이 일어나는 시기였다. 두 차례의 세계대전을 겪으며 혼란이 거듭되었지만 아이러니하게도 세계는 급격한 발전을 이루었다. 이 시기의 과학 또한 뛰어난 업적들을 세우며, 인류의 발전에 크게 이바지하게 된다. 이 책은 이러한 과학의 대발견들을 역사적 사실들과 함께 전개한다. 책을 읽으며 격동의 현대사 또한 함께 경험할 수 있을 것이다. 전구가 발명되었고, 더 나아가 방전관을 만들게 되었으며 이를 통해 X선이 발견되었다. 이 X선은 세계대전 중 다친 병사를 치료하는 데 매우 유용했다. X선 이후 방사선에 관한 연구가 본격적으로 시작되었다. 마리 퀴리가 발견한 폴로늄과 라듐은 소립자 연구의 길을 열었고, 중성자, 인공 방사성 원소의 발견으로 이어졌다. 여기서 한 걸음 더 나아가 핵분열의 발견으로 원자폭탄이 개발되었다. 이는 결국 제2차 세계대전이 종식하는 데 큰 영향을 끼쳤다. 책의 각 장은 주제별로 서술되어 있으나 책을 다 읽고 나서는 큰 흐름에 따라 모든 내용이 연결되어 있음을 알 수 있다. 한 과학자의 발견이 다른 과학자의 연구에 영향을 미치고, 또 새로운 발견으로 이어지는 것. 그것이 역사에 영향을 끼쳐왔고 이는 앞으로도 계속될 것이다. 독자 여러분 또한 이 책을 읽으며 과학의 새로운 발견의 길로 나아갈 수 있으리라 생각한다.