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대학 강의실 밖에서 듣는 화학 마스터의 특별 강연!
물질의 구성을 다루는 화학과 물체의 운동을 다루는 물리학이 만난다!

《분자 사용 설명서》는 카오스 재단에서 주최한 ‘카오스 마스터 클래스 화학’ 강연 시리즈의 첫 번째 책이다. ‘화학 현상을 물리법칙으로 어떻게 설명할 수 있는가?’를 주제로 양자역학의 발전이 현대 화학에서 얼마나 중요한 역할을 하는지에 대해 이야기한다. 이를 통해 양자역학의 개념에서부터 시작해, 원자와 분자의 구조, 화학반응의 메커니즘, 분자 구조의 예측 등 화학과 물리학을 넘나드는 주제들로 독자들의 과학적 사고의 지평을 넓혀준다. 이 책은 복잡하고 어지러운 물리·화학 이론의 나열이 아니라 우리 세계를 구성하는 물질의 진정한 원리를 발견하는 신비한 지식의 세계로 우리를 안내한다.

화학, 물리법칙으로 설명해낼 수 있을까?
“양자역학은 화학의 모든 것과 물리학의 대부분을 설명했다.”
양자이론의 발전에 중요한 역할을 한 영국의 물리학자 폴 디랙은 양자역학이 물리학뿐 아니라 화학에서도 얼마나 중요한 위치를 차지하는가를 이 문장을 통해서 강조한다. 즉, 양자역학을 통해 화학을 물리학으로 환원할 수 있다는 의미다.
전통적으로 물질의 ‘구성’을 다루는 화학과 물질의 ‘운동’을 다루는 물리학은 나뉘어 발전해왔다. 하지만 원자, 전자, 핵 등에 대한 연구가 심화되면서 물질을 전자와 핵의 ‘운동’으로 해석하게 되었고, 이로 인해 현대 화학에서 물리학, 특히 양자역학의 역할이 중요해지기 시작했다. 이 책은 화학적 주제인 물질의 구성을 물리학적 이론으로 풀어간다. 알기 쉽고, 이해하기 쉬운 표현들로 미시세계를 지배하는 양자역학의 원리와, 원자와 분자의 구조, 화학반응 등에 대해 자세하게 설명해내고 있다.
이 책을 읽다 보면 단지 화학에 대해서뿐 아니라 물리학 지식에 대해서도 이해가 깊어지고 풍성해지게 된다.

고전역학에서 양자역학으로, 혁명적 전환이 일어나다
양자역학이 화학에 적용되는 과정을 이해하기 위해서는 어떻게 고전역학에서 양자역학으로의 변화가 시작되었는지를 먼저 이해해야 한다. 지은이는 이 책의 첫 장에서 완벽해 보이던 고전역학 이론이 ‘빛이 가진 이중성’, 즉 빛이 입자로서의 특징과 파동으로서의 특징을 함께 갖는 특징을 통해 균열이 생기기 시작했고, 이로 인해 ‘양자’와 ‘물질파’라는 개념이 등장하면서 물리학에 ‘양자론’이라는 혁명이 시작되었다고 이야기한다.
지은이는 이 책에서 고전역학에서 양자역학으로의 전환 과정을 설명하면서 빛의 성질, 토머스 영의 이중슬릿 실험, 원자모델의 발전 과정, 하이젠베르크의 불확정성 원리, 슈뢰딩거 고양이 패러독스 등 물리학이 발전해온 중요 이론과 개념들에 대해서도 자세히 들려준다.

카오스 재단이 선보이는 과학 강연의 마스터 클래스!
이 책은 재단법인 카오스에서 주최한 과학 강연을 묶은 시리즈다. 2017년 여름에 실시한 ‘마스터클래스 화학 S=mQ의 제곱’의 강연은 소수의 인원이 강연자와 함께 대화와 질문을 통해 배우는 강연으로 과학에 대해 보다 깊이 이해하는 시간으로 꾸며졌다. 강연의 부제가 S=mQ의 제곱인 것은 ‘과학(Science)은 마스터(Master)에게 끊임없이(제곱) 질문(Question)하는 것’이란 뜻이다. E=mc의 제곱을 패러디한 제목으로 이 강연에서는 ‘Q’ 즉, 질문에 방점을 두었다. 이에 따라 수많은 질문과 대답이 오갔고, 책의 각 장 마지막에는 강연에서 등장했던 주요 질문들을 담아 그 생생한 열기를 함께 전달하고 있다.
이 시리즈는 서울대 화학부 김지환, 김경택, 이동환 교수가 각 2017년 6월, 7월, 8월에 강연을 진행했다. 김지환 교수가 「분자 사용 설명서」란 주제로, 다음으로 김경택 교수가 「불가능은 어떻게 일상이 되었나: 나일론과 디엔에이」란 주제로, 마지막으로 이동환 교수가 「분자공학 각론(分子空學各論)」이라는 주제로 강연을 펼쳤다.
카오스 재단은 과학이 세상에 도움을 줄 수 있고 과학적 사고가 세상을 바꿀 수 있다고 믿으며, 더 많은 사람과 기초과학에 관한 다양하고 깊이 있는 지식을 대중 강연, 콘서트, 출판 등을 통해 나누어오고 있다.

머리말
프롤로그

제1강
양자역학 미시세계를 지배하는 법칙
- 고전물리학이란?
- 입자인가, 파동인가
- 원자 모델
-양자역학의 확립
Q&A

제2강
물질의 해부학 원자와 분자의 구조
- 원자 구조론
- 화학결합과 분자구조 : 루이스 모델
- 화학결합과 분자 구조 : 분자양자역학 이론
Q&A

제3강
분자 당구 게임 화학반응성
- 화학반응 개요
- 화학 반응과 에너지
- 분자 당구 게임
Q&A

제4강
화학반응의 측정과 예측
- 분자를 보는 법
- 화학 반응성을 보는 법
- 분자 구조와 반응성의 예측
Q&A

찾아보기

자 이제 본격적으로 ‘빛이 무엇인가’라는 문제를 살펴보겠습니다. 고전전자기학에서는 빛은 전기장과 자기장의 진동이 만들어내는 파동(전자기파)입니다. 이러한 설명은 제임스 맥스웰이라는 물리학자가 처음으로 제안했습니다. 빨간색의 빛은 파장이 긴 전자기파, 파란색 빛은 파장이 짧은 전자기파에 불과하다는 것입니다. 빨간색 전자기파와 파란색 전자기파를 공간상으로 분리할 수 있고 이 모든 것이 파동의 일종이라는 것을 알아낸 것입니다.
_26p. 입자인가, 파동인가

최외각 전자의 개수를 주기율표에서 따지면 1개에서 8개 사이에서 순환합니다. 실제로 이런 전자껍질 모델이 맞는지 실험해봤습니다. 수소, 헬륨, 리튬 순서대로 각각 실험을 해서 물질의 안정도를 조사했습니다. 안정도가 높다는 것은 그대로 있으려고 한다는 이야기입니다. 불안정하다는 것은 뭔가 자꾸 바뀐다는 뜻입니다. 최외각 전자의 수에 따라 물질의 안정도가 규칙적으로 변화하는 것이 실험적으로 관찰되었고 이 특징을 표로 나타낸 것이 바로 주기율표입니다.
_74p. 원자 구조론

이렇게 분자끼리 실제충돌해서 만들어지는 반응을 ‘단위 반응’이라고 합니다. 진짜 일어나는 반응이 아닌 여러 개의 단위 반응으로 이루어진 가짜 반응을 ‘비단위 반응’이라고 합니다. 불행히도 일상생활에서 많이 접하는 반응은 대개 비단위 반응이며 여러 개의 단위 반응으로 구성돼 있습니다. 심한 경우에는 30~40개의 단위 반응이 섞여 있기도 합니다. 따라서 반응을 구성하는 단위 반응이 무엇인지 아는 것은 화학반응을 이해하는 데 매우 중요합니다.
_120p. 화학반응의 메커니즘

참고로 분자의 스펙트럼 연구는 물리학자들이 처음 시작했고, 화학자들이 연구하다가, 지금은 천문학자들이 가장 많이 연구하고 있습니다. 천문학과에서는 성간물질이 무엇으로 이뤄져 있는지를 알기 위해서 많이 씁니다. 분광 측정을 할 때는 광원이 있어야 하는데, 그 광원은 별이고 검출기는 망원경이 됩니다. 이렇게 성간물질의 스펙트럼을 찍어서 별에서부터 지구 표면까지 어떤 물질이 있는지 측정할 수 있습니다.
_150p. 분자를 보는 법