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세상을 변화시킨 위대한 발견, 그 정수를 담은 논문을 탐독하다
새로운 발견과 그 숨겨진 이야기 ‘방사선과 원소’

과학자들은 우연히, 혹은 끊임없는 실험에 의하여 새로운 발견을 해내고, 그 결과를 논문으로 기록하여 세상에 펼쳐 보인다. 논문은 그들의 연구 결과가 담긴 집약체이며, 이론의 출발점이라고 할 수 있다. 어렵게만 느껴지는 과학 논문을 일반인은 물론 청소년 독자들도 쉽게 읽을 수 있도록 풀어낸 〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈〉가 여기에 펼쳐진다.
《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 방사선과 원소》는 마리 퀴리가 남편과 함께 노벨 물리학상을 받은 최초의 논문(1898년)과 단독으로 노벨 화학상을 받은 첫 번째 논문(1898년)에 초점을 맞추었다. 두 논문은 새로운 자연 방사능 원소 두 개(폴로늄과 라듐)를 발견한 내용이다. 이와 관련하여 인공 방사선이지만 최초의 방사선인 X선을 발견한 뢴트겐의 논문과 그것을 있게 한 방전관 발명의 역사를 다루었고, 방전관에서 찾아낸 톰슨의 전자 발견 이야기도 곁들였다. 여기에 등장하는 노벨상 수상자들이 주로 실험 물리학자이므로 수식보다는 실험 장치와 실험 방법에 중점을 두었다. 책의 뒤쪽에는 논문 영문본을 실어 오리지널 논문에 대한 간접 체험을 할 수 있도록 하였다.
이 책에는 위대한 발견을 한 과학자들의 에피소드와 함께, 논문을 완성하기까지 반복되는 실험을 통해 결론을 도출하는 과정이 그대로 등장한다. 간혹 수식이 필요한 어려운 부분도 있지만 고등학교 수준의 내용만 알면 이해할 수 있도록 친절하게 설명하였다. 학생과 정교수의 일대일 대화를 따라가다 보면 수학이나 과학에 두려움이 있는 독자들도 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
과학도를 꿈꾸는 학생, 양자역학을 좀 더 알고 싶은 사람, 학생들에게 위대한 논문을 소개하려는 과학 선생님, 〈인터스텔라〉를 능가하는 SF 영화를 만들고 싶어 하는 영화 제작자나 웹툰 작가 등 과학에 관심을 가진 많은 사람들에게 도움이 될 책이다.

★ 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.

고창섭(충북대학교 총장/전기공학부 교수)
《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 방사선과 원소》는 X선, 전자, 방사능 원소, 중성자, 주기율표, 핵분열 등 화학과 물리학의 역사에서 굵직굵직한 발견들을 다룹니다. 그것을 과학자들의 이야기와 더불어 논문의 핵심 내용과 실험 과정까지도 흥미롭게 전개하는 것이 이 책의 장점입니다. 특별히 성차별이 만연한 시기에 악조건을 극복하고 훌륭한 업적을 이룬 여성 과학자들의 이야기가 눈에 띄었습니다. 노벨상을 수상하거나 그에 걸맞은 연구를 한 과학자들의 에피소드를 읽다 보니 새로운 발견들과 함께 격동의 현대사가 이어져 왔음을 느낍니다. 단 하나의 과학적 발견으로도 역사가 뒤바뀌는 현실을 우리는 보아 왔고, 앞으로도 마주할 것입니다. 이 책이 미래를 이끌어 나갈 세대들에게 ‘과학’을 더 가까이하는 좋은 동기 부여가 되길 기대합니다.

남순건(경희대학교 이과대학 물리학과 교수 및 전 부총장)
저자는 이번에 아주 새로운 시도를 하고 있고 이는 어쩌면 우리에게 꼭 필요했던 것일 수 있습니다. 대화체로 과학의 역사와 배경을 매우 재미있게 설명하고, 그 배경 뒤에 나왔던 과학의 영웅들의 오리지널 논문들을 풀어간 것입니다. 과학사를 들려주는 책들은 많이 있으나 이처럼 일반인과 과학도의 입장에서 질문하고 이해하는 생각의 흐름을 따라 설명한 책은 없습니다. 게다가 이런 준비를 마친 후에 아인슈타인 등의 영웅들의 논문을 원래의 방식과 표기를 통해 설명하는 부분은 오랫동안 과학을 연구해온 과학자에게도 도움을 줍니다.
이 책을 읽는 독자들은 복 받은 분들일 것이 분명합니다. 제가 과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까 하는 생각이 듭니다. 정완상 교수는 이제 새로운 형태의 시리즈를 시작하고 있습니다. 독보적인 필력과 독자에게 다가가는 그의 친밀성이 이 시리즈를 통해 재미있고 유익한 과학으로 전해지길 바랍니다. 그리하여 과학을 멀리하는 21세기의 한국인들에게 과학에 대한 붐이 일기를 기대합니다. 22세기를 준비해야 하는 우리에게는 이런 붐이 꼭 있어야 하기 때문입니다.

과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
노벨상 5개, 위대한 퀴리 가문의 탄생 _이렌 퀴리 깜짝 인터뷰

첫 번째 만남│방전관에서 발견된 X선
백열전구를 발명한 사람들 _더 밝게, 더 오래 빛나도록
데이비, 아크등을 발명하다 _전구보다 먼저! 세계 최초의 전기 조명기구
가이슬러와 방전관 _다양한 색깔과 모양으로 빛을 내다
크룩스관의 등장 _방전관 속의 빛의 정체를 찾아서
레나르트의 유리창 _음극선의 비밀을 밝혀라
X선을 발견한 뢴트겐 _제1회 노벨 물리학상 수상자
노벨상의 탄생 _인류에 공헌한 사람들에게
X선의 정체를 밝힌 사람들 _노벨상을 놓친 불운한 천재 물리학자

두 번째 만남│전자의 발견과 전하량 측정
톰슨과 캐번디시 연구소 _실험 물리학에 대한 투자와 노벨상 수상
전자의 발견 _음극선은 왜 휘어질까?
전자의 전하량을 측정한 밀리컨 _물방울 대신 기름방울로!

세 번째 만남│20세기 최고의 여성 과학자 마리 퀴리
우라늄에서 방사선을 발견한 베크렐 _4대가 물리학자인 집안
폴란드의 마리아 스크워도프스카 _역경에도 꺾이지 않은 학업에의 열정
파리의 여대생 마리, 피에르 퀴리를 만나다 _연구와 인생의 단짝
토륨과 방사능 _검은 광물에서 나오는 방사선
공동 연구를 시작한 퀴리 부부 _피치블렌드 광석의 수수께끼를 풀어 보자!
폴로늄의 발견 _더 강한 방사능 물질을 찾아내다
라듐의 발견 _두 번째 새로운 방사능 원소와 노벨상 수상
마리 퀴리, 노벨 화학상을 수상하다 _순수한 라듐 분리와 원자량 측정

네 번째 만남│노벨상 이후의 마리 퀴리와 방사능 연구의 영웅들
라듐의 빛과 그림자 _만병통치약에서 재앙의 시작으로
세 종류의 방사선 _러더퍼드와 가이거의 연구
마리 퀴리와 제1차 세계대전 _1그램의 라듐을 구하기 위해

다섯 번째 만남│두 번째 퀴리 부부와 인공 방사성 원소
주기율표의 탄생 _비슷한 성질끼리 모여라!
마리 퀴리의 장녀, 이렌 퀴리 _특별한 교육법의 수혜자
중성자의 발견 _당구공을 움직이려면 쌀알이 아니라 당구공이 필요해
인공 방사성 원소 _수정된 가설 그 이상의 의미

여섯 번째 만남│새로운 원소 발견과 원자핵 분열
러더퍼드의 원자핵 모형 _중성자 발견 이전의 원자핵에 대한 생각
동위원소 _같은 듯 다른 원소들
중성자 발견 후 원자핵의 연구 _원자핵의 본모습을 찾다
누락된 원소들 _주기율표의 빈칸을 채워라
초우라늄 원소 _과학계가 공인한 원소 118번까지
제2차 세계대전과 원자폭탄 _엄청난 에너지와 괴물 같은 무기의 탄생
원자력 발전 _유용성과 위험성을 지닌 양날의 칼

만남에 덧붙여
On a New Kind of Rays _뢴트겐 논문 영문본
Cathode Rays _톰슨 논문 영문본
On a New Radioactive Substance Contained in Pitchblende _퀴리 1 논문 영문본
On a New, Strongly Radioactive Substance, Contained in Pitchblende _퀴리 2 논문 영문본
위대한 논문과의 만남을 마무리하며
이 책을 위해 참고한 논문들
노벨 화학상 수상자들을 소개합니다

당시 유명한 전기회사에서 X선에 대한 특허를 사려고 했어. 하지만 뢴트겐은 “X선은 모든 인류의 것이지 나의 것은 아니다”라며 그 제안을 거절했네. 그가 특허를 내지 않은 덕에 누구나 무료로 X선을 이용할 수 있게 되었지.
_46쪽

크룩스는 실험 도중 크룩스관 주변에 아무렇게 놓아두었던 사진 건판이 흐려지는 것을 확실히 발견했다고 해. 그러나 그는 그것이 방전관에서 나온 미지의 빔에 의한 것이 아니라, 불량한 사진 건판을 구입했기 때문이라고 생각했네. 물리학에서는 누구나 볼 수 있는 자연 현상을 어떻게 옳게 해석하는가가 중요해. 크룩스는 X선이 사진 건판을 흐리게 만든 것을 보고도 올바른 해석을 하지 못해 그게 새로운 발견인 줄 몰랐던 거지.
_46~47쪽

“뉴턴이 거인들의 어깨 위에 섰다고 표현한 것처럼 나의 연구는 아버지와 할아버지 덕택에 이루어진 것이었다.” - 베크렐
_94쪽

“당신의 애국적인 꿈, 우리의 인도주의적 꿈과 과학적 꿈에 매혹되어 우리가 서로 가까이에서 함께 인생을 보낼 수 있다면 얼마나 좋을까요.” -1894년 8월 10일 피에르가 마리에게 보낸 편지
_105쪽

라듐이 인체에 악영향을 끼친다는 것이 본격적으로 사회에 알려진 때는 1925년 시계의 도장 공장에서 일어난 라듐 소녀들 사건부터였다. (...) 젊은 여성들로 구성된 도장공들이 차례차례 암에 걸리는 사건이 일어났다. ‘라듐 걸스’라고 불리던 그들은 기업에 소송을 제기했고, 이에 라듐의 위험성이 주목받게 되었다.
_122~123쪽

제대로 된 연구를 위해서는 라듐 1그램이 절실했지만, 라듐이 희귀하고 너무 비싸서 고액의 연구비가 없으면 구입할 수가 없었다. 마리 퀴리는 라듐 연구소의 연구비를 확보하기 위해 백방으로 뛰었다. (...) 딸들과 함께 미국으로 여행한 마리 퀴리는 1921년 5월과 6월 내내 그곳에서 특별한 환영을 받았다. 당시 미국 대통령 워런 하딩은 5월 20일 백악관에서 열린 공식 행사에서 그녀에게 황금 열쇠를 선물했다. 마리 퀴리는 그 열쇠로 상자를 열었고 거기에는 1그램의 라듐이 들어 있었다.
_130~131쪽

화학양: 제2차 세계대전과 핵분열이 무슨 관계가 있죠?
정교수: 핵분열에서 나오는 에너지를 무기로 만든 것이 바로 원자폭탄(핵폭탄)이거든. 이 가공할 위력을 가진 무기를 독일이 먼저 만든다면 세계가 나치 독일의 휘하에 들어갈 수 있다는 위기감이 고조되었던 거지.
_197쪽

원자로는 연쇄 핵분열이 천천히 일어나도록 조절하면서 필요한 만큼의 에너지를 안전하게 뽑아 쓸 수 있게 만든 장치를 말한다. 원자로의 ‘로(爐)’라는 한자는 ‘불을 피우는 가마’라는 뜻이다. 원자력 발전에서 원자로는 화력 발전의 보일러와 같은 역할을 한다. 연료를 넣어 난로에 불을 피우면 열이 발생하듯이, 원자로는 핵연료를 넣어 연쇄 핵분열을 일으키게 하는 장치이다. 핵연료로 쓰이는 것은 주로 농축 우라늄이다.
_205쪽