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인간과 사회, 대자연을 담은 원소의 드라마

이 책은 ‘시민 과학자’를 자처하며 반핵 운동에 헌신했던 다카기 진자부로 선생님이 십대를 위해 쓴 ‘원소 이야기’이다. 저자는 세계를 구성하는 가장 기본 물질인 원소에는 우주 탄생과 소멸의 드라마부터 인간이 초래한 다양한 비극까지 무한한 이야기가 담겨 있다며, 단지 화학의 세계가 아니라 인간과 자연의 공존 방식과 사회가 나아갈 방향을 담은 이야기를 이 책에서 들려준다.
진자부로 선생은 원자핵공학자로 일하다가 그 위험성을 깨닫고 연구소를 나와 ‘원자력자료정보실’을 운영하는 등 반핵 활동에 헌신하여 대안 노벨상이라 불리는 ‘바른 생활상’을 받았다. 십대를 위해 쓴 이 책에서는 마치 할아버지가 손주에게 말하듯 친절하게, 직관적이고 생생한 비유를 동원하여 원소를 설명해 준다. 빅뱅에서 양성자 상태로 수소가 나타났고 우주의 온도가 내려가 양성자와 전자가 손잡게 되자 최초의 원소 수소가 태어났으며, 원자가가 4로 다른 원소와 안정적으로 결합하여 수백만 화합물을 만들어 생명체에 이용되므로 탄소는 유기계의 왕이라는 식이다. 여름 밤하늘을 수놓는 불꽃놀이에서 붉은색을 내는 원소가 스트론튬이고, 지상에서는 매우 희귀하지만 우주에서는 많아서 공룡이 멸종된 시기의 암석에 이리듐이 많이 검출된 것으로 소행성 충돌설이 증명되었다는 등 다소 낯선 원소들도 기억하기 쉽게 설명해 준다. 또한 엠페도클레스와 아리스토텔레스를 거쳐 라부아지에까지 원소의 개념이 발전해 온 역사와 활약한 화학자의 성공과 좌절 이야기, 원자의 구조와 전자의 궤도, 동소체와 클라크수 등 원소와 관련된 최신 이론에 대한 설명도 쉽고 알차다. 이타이이타이병과 체르노빌 핵발전소 사고, 지구 온난화 등 중대한 과제 앞에 과학이 자연과 미래 세대를 위해 어떤 역할을 해야 하는지 고민해야 한다는 문제제기는 매우 중요하고 절박하게 다가온다. 십대와 성인을 위한 새로운 과학 교양 ‘너머학교 과학교실 시리즈’의 두 번째 책이다.

미래 세대와 사회를 위한 과학을 주창했던 다카기 진자부로

진자부로 선생은 도쿄대학교에서 핵화학을 전공하고 원자핵연구소에서 일하다가 인공 방사능이 너무 많이 검출된다는 데 크게 충격을 받고 대학을 그만 두었다. 그 뒤 일본과 세계를 누비며 반핵 운동에 앞장서는 한편 1975년에 ‘원자력자료정보실’을 만들고 유일한 무급 상근자로 일하며 정부보다 더 신뢰받도록 이 자료실을 키웠다.
1997년에는 대안노벨상으로 불리는 ‘바른 생활상’(독일계 스웨덴인 우표수집가 야코프 폰 윅스쿨이 제정한 인권과 환경보호 및 삶의 질을 향상시키는 데 기여한 공로자들에게 주는 상)을 받았다. 이때 암에 걸려 투병 중이던 선생은 안타깝게도 이른 나이에 세상을 떠나고 말았다.
진자부로 선생은 과학, 과학자의 역할을 깊이 고민하며 “‘시민의 과학’이 해야 할 일은 ‘미래에 대한 희망’에 바탕을 둔 과학의 방향을 탐색하는 데 있다. 지구의 미래가 보이지 않게 된 현실에 맞서, 미래로 통하는 길을 제시함으로써 사람들에게 희망을 주는 것이다.(『시민과학자로 살다』 중에서)”라는 지론을 폈다. 사회 문제를 고민하고 참여하는 과학자를 키우는 ‘다카기 학교’를 만들고 반핵 활동가들을 위한 ‘다카기 진자부로 시민과학기금’을 남기기도 했다. 십대를 위해 원소의 이모저모를 들려주는 이 책을 쓴 것도 이런 문제의식의 연장이었다고 할 수 있을 것이다. 근대 화학이 발전하면서 일으킨 이타이이타이병이나 도로쿠 광산 비소 중독, 체르노빌 사고 등을 자세히 설명하고, 특히 최근에 인공적으로 만들어진 원소들은 핵분열, 핵발전과 불가분의 관계로 그 위험성을 심각하다며 십대 독자들에게 과학이 어떠해야 하는지를 생각해 보라고 반복해서 말하고 있다.

결코 단순한 ‘화학의 세계’가 아니라 우리를 둘러싼 대자연과 인간 사회에 얽힌 거대한 세계로, 이 작은 책 안에도 인간과 자연의 공존 방식, 사회가 나아갈 방향 등을 생각하게 만드는 많은 시사점이 포함되어 있다고 생각합니다. (들어가는 글 중에서)

원래 알루미늄은 ‘세포 독성’이나 ‘신경 독성’이 있는 것으로 알려져서, 지표면에 있을 때는 문제가 없지만 몸에 들어가면 문제가 되는 원소야. 최근에는 산성비 때문에 안정적으로 존재했던 지표면의 알루미늄 이온이 녹아 나오는 일도 늘고 있어. 그것이 알츠하이머병 등의 원인이 됐을 거라고도 생각해 볼 수도 있겠지. 여기서도 ‘근대 화학’가 인간의 건강 혹은 환경 사이의 대립을 볼 수 있어. 이런 대립을 해결하는 일이 진정한 과학(화학)이 추구해야 할 바라고 생각해. (45쪽 중에서)

원소의 성질과 주요 화학 물리 이론을 쉽고 흥미롭게 설명하다

『시민과학자 다카기 진자부로 선생님의 원소 이야기』에서 진자부로 선생은 마치 할아버지가 손주에게 들려주듯 친절하고 쉽고 흥미롭게 원소를 설명해 준다. 각각의 원소가 존재하는 비율과 물질적, 화학적 특성, 원소의 이름이 생긴 유래, 발견하거나 추출해 낸 과학자와 그에 얽힌 에피소드 등 다양한 이야기가 펼쳐진다.
빅뱅과 더불어 최초의 원소 수소가 나타났고 질소는 생체 물질에 꼭 필요하며 ‘질소 고정’을 통해 생명 순환의 고리가 되며, 클레오파트라의 아이섀도의 원료는 안티모니, 브롬은 배우나 가수들의 브로마이드를 만드는 데 쓰이며 구리는 동전의 재료이고 핵폭탄의 원료이며 세상에서 가장 독성이 강한 플루토늄이 ‘지옥의 왕(플루토)인 원소’라는 것 등 직관적으로 떠올리고 기억하기 쉽게 해 주는 다양한 비유를 들어 설명한다.
저자는 원소가 인간 사회와 다양한 방식으로 깊은 관계를 맺고 있음을 계속 환기시켜 준다. 리튬이 배터리로 쓰이게 된 과정, 칼륨이 식물을 키우는데 사용되는 원리, 불꽃놀이의 붉은 색이 스트론튬이 낸다는 것, 네온이 네온등 불빛에 쓰이는 원리 등을 쉽게 들려준다. 동시에 오용과 남용에 대한 경고를 반복해서 들려준다. 염소가 플라스틱, 염화비닐 등 내구성이 강하고 살충력이 강해서 편리하다고 여겨 쉽게 썼으나 지금은 공포의 대상이 된 것 외에도 그런 사례는 넘쳐난다.
원소를 설명하는 본문 곳곳에는 대자연의 신비에 대한 감탄, 새로운 이론과 발견을 위한 애쓴 과학자의 노력에 대한 존경이 담겨 있기도 하다. 플루오린을 발견하기 위해 데이비나 게이뤼삭 등 많은 과학자들이 부상을 당하거나 병에 걸렸고, 거듭된 실험으로 방사능 피폭을 피하지 못했던 퀴리 부부가 발견한 원소의 폴로늄이라는 이름에 실험 때문에 조국 폴란드 독립에 헌신하지 못했던 퀴리 부인의 안타까운 마음을 담았다는 이야기도 있다. 또 로듐을 검출하기 위해 한여름에 냉방도 되지 않는 실험실에서 작은 백금 도가니에 반복해서 가열 작업을 했던 잊을 수 없는 경험은 과학 실험이 끈기의 승부라는 것을 새삼 느끼게 해 줄 것이다.

현직 과학 선생님의 감수, 일러스트와 풍부한 사진 자료

본문 사이사이에 원소를 밝혀 낸 과학적 원리와 최신 이론을 친절하게 설명하는 글(칼럼)들이 있다. 원소의 구조 - 원자핵과 전자 궤도 등을 설명하고 주기율표와 플로지스톤 등 화학이 발전한 역사도 쉽게 설명해 준다. 방사능 붕괴, 포지트론과 포지트로늄, 뮤온과 뮤오늄 등 최신 이론도 포함되어 있다. 특히 지구 온난화와 방사능, 환경 호르몬 등 우리에게 다가온 긴급한 문제들에 대해서도 설명하며 지구와 다시 관계를 맺어야 한다고 강조한다.
이 책은 1999년에 나온 개정판을 옮긴 책으로, 현직 과학교사이자 ‘신나는 과학을 만드는 사람들’ 회원인 한문정 선생이 감수를 하였다. 학생뿐 아니라 원소에 대한 호기심을 가진 많은 사람들이 즐길 수 있는 책이 이제라도 나와 다행이라고 한다.

이 이야기를 듣다 보면 원소에 대한 애정이 차곡차곡 쌓여서 화학이라는 큰 그림에 대한 이해로 이어지는 경험을 할 수 있습니다. (감수의 글 중에서)

원소의 성격을 다양한 방식으로 그린 경쾌한 색감의 일러스트와 원석과 실험 기구 사진, 각종 그래프 등 볼거리를 풍부하게 담아 이해를 돕고 독서를 즐길 수 있도록 했다.

너머학교 과학교실 시리즈 두 번째 책

‘너머학교 과학교실’ 시리즈는 과학적 지식이 점점 더 일상과 밀접해지고 과학적 관점과 사고력을 갖는 것이 시민이 알아야 하는 교양이 된 시대를 맞아 보다 쉽게, 그리고 더 넓은 관점으로 과학을 만나게 하자는 문제의식으로 기획되었다. 첫 책 『나는 곰팡이다』는 2020 행복한아침독서신문, 학교도서관저널 추천도서로 선정되어 꾸준히 읽히고 있다. 『꼭 알아야 할 화학합성물 이야기』(가제), 『싱크홀과 땅 속 세계』(가제) 등의 책들이 이어 출간될 예정이다.

1 수소 우주에서 가장 오래된 원소 12
2 헬륨 공기보다 가벼운 기체 14
원소란 무엇일까? 16
3 리튬 물에 뜨는 가벼운 금속 18
4 베릴륨 아름다운 보석을 만드는 원소 20
5 붕소 유리를 단단하게 하는 원소 22
6 탄소 '유기계의 왕 '이라고 불리는 원소 24
지구온난화 26
7 질소 생명 순환의 고리가 되는 원소 28
8 산소 지구에서 가장 중요한 원소 30
오존 32
9 플루오린(불소) 반응성이 좋은 유독한 원소 34
10 네온 희귀하고 새로운 원소 36
원자의 세계 38
11 소듐(나트륨) 소금을 만드는 원소 40
12 마그네슘 광합성에 필요한 원소 42
13 알루미늄 가볍고 부드러운 금속 44
원자의 발견 46
14 규소 ' 무기계의 왕 '이라고 불리는 원소 48
15 인 도깨비불을 만드는 원소 50
16 황 성냥과 화학에 쓰이는 원소 52
순물질과 동소체 54
17 염소 화학공업에 많이 쓰이는 원소 56
전자의 궤도I 58
전자의 궤도II 60
18 아르곤 잘 변하지 않는 기체 62
19 포타슘(칼륨) 식물을 키우는 원소 64
20 칼슘 뼈와 치아를 만드는 원소 66
21 스칸듐 스칸디나비아반도에서 발견된 원소 68
원자핵 70
22 타이타늄(티탄) 전투기를 만드는 원소 72
23 바나듐 바다 생물에 풍부한 원소 74
24 크로뮴(크롬) 아름다운 색깔을 내는 원소 76
25 망가니즈(망간) 건전지에 많이 쓰이는 원소 78
원소의 기원 80
26 철 가장 중요한 금속 82
27 코발트 푸른빛을 내는 원소 84
28 니켈 전지를 만드는 원소 86
29 구리(동) 동전을 만드는 금속 88
30 아연 놋쇠와 함석을 만드는 원소 90
주기율표 92
31 갈륨 쉽게 녹아내리는 금속 94
32 저마늄(게르마늄) 반도체인 금속 96
33 비소 독약을 만드는 원소 98
34 셀레늄 빛을 인식하는 데 이용되는 원소 100
35 브로민(브롬) 냄새가 지독한 원소 102
36 크립톤 피부암을 일으키는 원소 104
37 루비듐 빛과 인연이 깊은 원소 106
방사능 108
38 스트론튬 불꽃놀이의 붉은색을 내는 원소 110
39 이트륨 레이저에 쓰이는 원소 112
40 지르코늄 연료봉에 쓰이는 원소 114
41 나이오븀 초전도를 일으키는 원소 116
42 몰리브데넘 질소고정에 필요한 원소 118
43 테크네튬 처음으로 만든 인공원소 120
44 루테늄 왕수에도 녹지 않는 금속1 122
45 로듐 왕수에도 녹지 않는 금속2 124
46 팔라듐 수소를 흡수하는 금속 126
47 은 귀금속으로 쓰인 원소 128
48 카드뮴 이타이이타이병을 일으키는 원소 130
49 인듐 가장 무르고 부드러운 금속 132
50 주석 우는 소리를 내는 금속 134
매직넘버(마법의 수) 136
51 안티모니(안티몬) 아이섀도에 쓰인 원소 138
52 텔루륨 희귀한 준금속원소 140
53 아이오딘 암을 일으키는 방사성원소 142
생명과 원소 144
54 제논 처음 화합물을 만든 비활성기체 146
55 세슘 세슘 오염을 일으키는 원소 148
56 바륨 핵분열 발견의 열쇠가 된 원소 150
57 란타넘 58 세륨 란타넘족원소들1 59 프라세오디뮴 60 네오디뮴 61 프로메튬 152

62 사마륨 란타넘족원소들2 63 유로퓸 64 가돌리늄 65 터븀 66 디스프로슘 154
67 홀뮴 란타넘족원소들3 156
68 어븀 69 톨륨 70 이터븀 71 루테튬 란타넘족원소들4 158
플로지스톤 160
72 하프늄 지르코늄과 닮은 원소 162
73 탄탈럼 애를 태우게 하는 원소 164
74 텅스텐 필라멘트에 쓰이는 원소 166
75 레늄 지상에서 가장 희귀한 금속 168
76 오스뮴 악취를 풍기는 원소 170
클라크수 172
77 이리듐 공룡 멸종과 관련된 원소 174
우주 원소 존재비 176
78 백금 잘 변하지 않는 금속 178
79 금 인류가 처음으로 사용한 금속 180
80 수은 상온에서 액체인 금속 182
81 탈륨 머리카락을 빠지게 하는 원소 184
82 납 독성이 있는 금속 186
시간 측정 188
83 비스무트 금속활자에 이용된 원소 190
84 폴로늄 처음 발견된 방사능원소 192
85 아스타틴 비금속 중에서 가장 무거운 원소 194
86 라돈 피폭의 주요 원인이 되는 원소 196
87 프랑슘 수명이 아주 짧은 원소 198
88 라듐 피치블렌드에서 뽑아낸 원소 200
원자 아닌 원자 202
89 악티늄 란타넘과 비슷한 원소 204
90 토륨 91 프로트악티늄 악티늄족원소들 206
92 우라늄 핵무기에 쓰이는 원소 208
93 넵투늄 최초의 초우라늄원소 210
94 플루토늄 세상에서 가장 독성이 강한 원소 212
95 아메리슘 96 퀴륨 맨해튼 프로젝트에서 발견된 원소들 214
97 버클륨 98 캘리포늄 캘리포니아대학 연구팀이 만든 원소들 216
99 아인슈타이늄 100 페르뮴 죽음의 재에서 발견된 원소들 218
101 멘델레븀 102 노벨륨 103 로렌슘 104 러더포듐 105 두브늄 106 시보 107 보륨 108 하슘
합성하기 어려운 원소들 220
109 마이트너륨 그 밖의 원소들 222
현재까지의 발견 224
환경호르몬 226

리튬은 희소한 금속이긴 해도 여러 면에서 주목을 받고 있어. 은백색 금속인데, 놀랍게도 밀도가 아주 작아서 물에 뜨기도 하고 물과 반응하니 흥미롭지. 리튬은 반응성이 좋고 공기 중의 질소와 직접 반응하여 질화물(질소와 질소보다 양성인 원소로 이루어지는 화합물, LiN3)을 만들기 때문에 공기 중에 둘 수 없고 기름 같은 물질 안에 넣어 두어야 해. 최근에는 리튬이 산업에 많이 쓰이고 있는데, 그중 잘 알려진 건 리튬전지와 윤활유야. 리튬전지는 일반 전지보다 전압을 두 배 이상 내기 때문에 편리하게 쓰이고 있어. 또 수산화리튬수화물과 소기름 같은 천연 지방에서 뽑아낸 스테아린산리튬이 있는데, 윤활유 성분으로 널리 쓰이고 있어. (19쪽)

네온 원소를 발견해 내는 매우 어려운 작업은 대부분 영국 화학자 윌리엄 램지(1852~1916) 한 사람에 의해 이루어졌어. 램지는 1894년에 아르곤을 발견하는 것을 시작으로 헬륨을 발견하고, 1898년에는 대기 중에서 크립톤, 네온, 제논을 차례차례 발견해 세간을 놀라게 했지. 미세한 차이도 소홀히 하지 않은 엄밀한 실험 태도 덕분에 램지는 이런 영광스러운 결과를 얻었어.
램지는 영국에서 멘델레예프의 주기율표 이론에 대해 반대 의견이 강했던 때부터 주기율표를 지지했고, 헬륨과 아르곤 사이에는 또 하나의 비활성기체 원소가 틀림없이 있을 거라고 믿었어. (36~37쪽)

한 원소의 원자가 어떤 조건에서 어떠한 동소체가 되는지 예를 한 가지 들어 볼까? 황은 수많은 동소체가 있지만, 보통의 온도와 압력에서는 α황이 안정적으로 사방결정형 결정구조를 하고 있어. 1기압 상태에서 온도를 올리면 95.5℃ 이상에서는 β황이 안정적 상태가 되어 그쪽으로 결정이 이동해. 압력까지 변하면 상황이 좀 더 복잡해지는데, 그 상태 변화의 추이는 오른쪽에 있는 도표에서 자세히 살펴볼 수 있어.
앞에서 예로 들었던 원소만 동소체가 있는 건 아니야. 많은 원소의 순물질에는 다양한 동소체가 있지. 완전히 같은 원자로 구성되어 있어도 조건이 달라지면 성질이 완전히 다른 물질이 나타나는 것이 화학의 세계에서 흥미로운 점이야. (54~55쪽)

방사선 아이오딘의 공포는 1968년 4월 26일에 일어난 체르노빌 원자력발전소 사고에 의해 세계에 널리 알려졌어. 원자로 노심에 내장되어 있던 약 3엑사베크렐이라는 막대한 양의 아이오딘 중 50~70%가 방출됐던 거야. 아이오딘 흡수를 조금이라도 막을 수 있는 아이오딘화포타슘을 구하기 위해 유럽 각지에서 약국 앞에 어머니들과 유아들의 긴 행렬이 생겨났어. 그 걱정스러운 얼굴은 누구라도 한번 보면 평생 잊을 수 없을 만큼 절실한 호소를 담고 있었어.
실제로 사고 뒤에 우크라이나의 체르노빌을 중심으로 가까운 벨라루스나 러시아에까지 이어지는 광범위한 지역에서 아동들의 갑상샘 장애(암 등)나 백혈병이 다수 발생했다는 보고가 줄을 이었어. 사고 10년 뒤에 WHO(세계보건기구)도 체르노빌 방사능(아이오딘)에 의한 소아 갑상샘암 발생이 수백 건 이상에 달했다는 걸 인정했어. 현재 일본 원자력발전소 근처의 보건소에는 아이오딘 캡슐이 비치되어 있지만, 실제 사고가 발생했을 때 이게 얼마나 유효할지는 의문이야. (143쪽)