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고대 연금술부터 20세기 보어의 원자모형까지
이론과 실험을 일체시키기 위한 노벨상 수상 과학자들의 열정을 논문으로 알아본다!

눈으로 볼 수 없는 물질을 모형으로 만들어 원자 성질과 내부 구조를 설명하다

모형은 눈으로 보기 어렵거나 내부 구조 등을 설명하기 위해 만든다. 이처럼 원자모형은 원자가 관계하는 여러 가지 현상을 설명하고 그 구조를 직관적으로 이해하기 쉽도록 모형적으로 생각한 원자구조 형태다. 원자모형은 최근 개발된 최첨단 현미경을 이용하면 물질 내에서 원자가 어떻게 배열되었는지 관찰할 수 있지만 양성자와 전자로 구성되어 있는 원자 내부를 들여다볼 수 없다. 따라서 원자의 내부 구조를 연구하기 위해서는 모형으로 여러 가지 원자모형을 제시하고 이 연구를 바탕으로 원자의 성질을 예측하기도 한다. 최초의 원자모형은 돌턴이 제시한 원자모형이다. 돌턴은 원자는 더 이상 쪼개지지 않는 가장 작은 알갱이라고 주장했다.
〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈〉 중의 4권인 《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 원자모형》은 고전 물리학으로 설명할 수 없는 현상이 존재할 수 있다는 사실을 보여준 중요한 사건을 다룬다. 따라서 보어의 원자모형은 양자물리학으로 한 발짝 더 다가가는 중요한 나침반이 되었다. 이 책에서는 고대 원소론부터 양자역학으로 발전하기까지 역사적인 흐름으로 흥미진진하게 풀었다. 더불어 톰슨, 러더퍼드, 보어의 오리지널 영어 논문을 통해 그 시대 속 물리학자들의 고심과 연구 결과를 생생하게 느낄 수 있다. 이 책에는 위대한 발견을 한 과학자들의 에피소드와 함께 수식이 등장한다. 어렵다고 느낄 필요 없이 고등학교 수준의 수학 내용만 알면 이해할 수 있도록 친절하게 설명하고 있다. 정교수와 물리군의 일대일 대화를 따라가다 보면 수학이나 과학에 두려움이 있는 독자들도 쉽게 이해할 수 있게 될 것이다. 이 책은 시리즈(전 20권)로 기획되었으며 역대 노벨 물리학상 수상자들이 모두 등장한다.

★ 전국 과학교사모임 추천 ★ 일대일 친절한 과학 수업
★ 이공계 진학 예정자 필독서 ★ 노벨상 수상자의 오리지널 논문 영문본 수록

과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까?

이제는 우주개발도 민간이 주도하는 시대가 되었다. 실례로 미국의 기업 스페이스X는 세계 최초의 상용 우주선 발사, 민간 우주 비행사의 국제 우주 정거장 도킹 등 혁신적인 업적을 달성했다. 이러한 시대적 흐름에 발맞추어 우리나라도 최근 누리호 제작 ？ 발사 운용 기술의 선진화로 우주산업 육성에 적극적으로 뛰어들고 있다.
왜 인류는 우주에 가고 싶어 하고, 정복하고 싶어 하는 걸까? 알고 싶어 하는 호기심, 개척하고자 하는 탐험가 정신일 것이다. 문명의 발달은 과학과 수학의 발달로 이루어졌다고 해도 과언이 아니다. 이 책은 어려운 과학이 아닌 우리가 일상생활에서 접할 수 있는 현상이 어떻게 이론으로 증명되었는지 물리학 발전을 알기 쉽게 풀어 놓았다. 특히 위대한 과학자들의 오리지널 논문을 직접 눈으로 보며 일대일로 배우는 듯한 생동감은 과학을 더욱 친숙하고 재미있게 배울 수 있게 해 줄 것이다.

이론과 실험을 일체시키기 위한 보어의 용기 있는 가설 속으로

하나의 과학이론이 탄생하기까지 많은 과학자의 이론과 실험이 존재한다. 과정에서 이론과 실험이 만족하지 못하여 재연구 ㆍ 실험이 병행되기도 한다. 현대적 원자모형의 창시자로 널리 알려진 닐스 보어는 나가오카 모형, 톰슨 모형, 러더퍼드 모형을 연구하면서 가열된 원자에서 방출되는 선스펙트럼에 대한 공식을 만족하지 않음을 알고, 실제 실험 결과와 일치하는 완벽한 원자모형을 만들기 위해 노력했다. 그는 기존의 이론을 의심하고 그 의심을 여러 가정으로 바꾸어 연구에 집중했다. 그 결과 보어가 만든 원자모형은 고전역학에 의존한 모형에서 완전히 벗어나 원자모형이 가지고 있던 문제점까지 완벽하게 해결하는 성과를 거두었다.
보어의 이와 같은 노력 덕분에 눈에 보이지 원자의 내부 구조를 밝힐 수 있게 되었고, 후대의 물리학자들에게까지 영향을 끼쳐 양자역학으로 발전하게 된다. 양자역학의 시대를 연 보어의 원자모형에 대한 세 편의 논문(톰슨(1904년), 러더퍼드(1911년), 보어(1913년)을 살펴보며 보어의 원자모형이 탄생하기까지 배경을 흥미진진하게 살펴볼 수 있다.

고대의 기본원소 이론부터 돌턴의 원자설까지

고대의 화학자들은 물, 불, 공기, 흙이 4가지 기본원소라고 생각했으며 이 기본원소가 합쳐지거나 분리되어 물질이 만들어지거나 변형된다고 믿었다. 어떤 음식의 맛의 유무도 음식을 이루는 원자의 크기와 모양에 의해 결정된다고 생각했던 것이다. 이후 최초의 화학자라고 일컫는 연금술사들의 금 만들기까지 이어져 원소는 철학적이고 종교적인 요소가 결합된 난해한 이론이 되었다. 이후 화학자들이 연금술에 빠져 있는 동안 화학 이론은 발전하지 못했다. 그러나 본격적으로 다시 원자에 대해 주장을 편 사람은 돌턴이었다. 돌턴의 원자설은 원자마다 그 크기와 질량이 다르기 때문에 용해도도 다르다고 주장했다. 돌턴의 원자설은 20세기 물리학자들에 의해 그 모습이 밝혀졌다.

시리즈로 만나보는 과학의 즐거움

외국인들과 대화하다 보면 놀라게 되는 것 중에 하나는 그들은 과학을 무척 재미있게 배웠다는 사실이다. 그래서인지 국민의 평균 과학 지식도 상당히 높은 편이고 실제로 노벨과학상도 많이 배출되었다. 그러나 우리나라의 상황을 보면 아직까지 그 문턱은 꽤 높아 보이는 것도 현실인 것 같다.
이 책의 저자는 우리나라에서 노벨과학상 수상자가 배출되지 않은 것에 안타까움을 느끼며 과학이야말로 우리 생활과 밀접하게 연결되어 있기 때문에 누구나 재미있게 배울 수 있다고 말한다. 이 책은 시리즈로 기획되었다. 한 권 한 권 완성해 나가는 과정을 통해 과학에 관심을 갖고 그 수준도 높아질 수 있으리라 생각한다.

김태경(제주과학고등학교 물리교사)
원자모형에 대한 수업을 할 때 모형의 변천사만큼 중요한 것이 시대 과학자들이 어떤 모형을 제안하면서 한계에 부딪혔고, 이후 과학자들이 어떻게 발전시켜 나갔는지 과학적 사고와 탐구 방법을 간접적으로 경험하는 것입니다. 이 책은 고대 그리스 시대의 원소 개념부터 원자론까지 과학자들이 어떤 근거를 가지고 이론을 펼쳤는지 상세히 설명하고 있습니다. 톰슨과 러더퍼드 원자모형의 한계점을 서사로 드러내면서 독자의 흥미를 유발하기에 충분하며 역사 속 과학자들의 과학 탐구 정신을 배울 수 있습니다. 과학을 가르치는 교사로서 왜 그동안 이런 책이 없었는지 아쉬우면서도 동시에 감사합니다. 그만큼 많은 이들에게 도움이 될 것이라 기대합니다.
끝으로 이 책을 만인을 위한 책으로 소개하고 싶습니다. 원자모형에 대해 학습하고 싶은 이들은 이 책을 통해 원자의 기본 개념과 원자모형의 변화 과정을 역사적 흐름과 함께 쉽게 이해할 수 있으며, 원자모형에 대해 가르치는 이들은 이 책을 통해 원자모형 변화의 역사적 배경과 논문으로 이론을 사실에 근거하여 배울 수 있습니다. 또 과학에 관심이 있는 모든 이들에게 이 책이 간접적으로나마 과학 탐구 과정을 경험하고 과학적 호기심을 자극하는 촉진제 역할을 할 것입니다. 원자모형에 관한 지식 습득을 넘어 과학적 태도를 배양한다는 점에서 과학에 관심이 있는 모든 이들에게 이 책을 권하고 싶습니다.

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.

추천사
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며 … 013
세상을 놀라게 한 원자모형 이론의 탄생_ 오거 보어 박사 깜짝 인터뷰 … 015

첫 번째 만남│돌턴의 원자설이 나오기까지
탈레스의 기본원소_ 탐구심으로 전쟁을 멈추다 … 022
4원소설_ 물질을 이루는 물, 불, 공기, 흙 … 029
고대의 원자론_ 더 이상 쪼갤 수 없는 작은 입자 … 036
마법과 과학 사이의 연금술_ 돌맹이도 금이 되나요? … 039
근대화학의 아버지 돌턴_ 원소의 원자는 둥글다 … 049

두 번째 만남│뉴턴의 원운동
벡터 알아보기_ 크기와 방향으로 정의하다 … 058
삼각함수의 역사_ 코사인 법칙 … 071
뉴턴의 구심력_ 왜 달은 땅으로 떨어지지 않을까? … 084
원운동을 위한 구심력의 크기_ 반지름이 작을수록 큰 운동이 필요하다 … 092
각속도와 각운동량_ 여러 자연현상을 나타낼 때에도 사용한다 … 099

세 번째 만남│톰슨의 원자모형
원자모형의 역사_ 토성 모형과 자두 푸딩 모형 … 110
전기장의 세기 구하기_ 가우스 법칙 … 113
톰슨의 논문 속으로_ 원자 속에 골고루 섞여 있는 전자 … 117

네 번째 만남│러더퍼드의 원자모형
러더퍼드의 원자핵_ 최초로 원자핵의 존재를 밝혀낸 모형 … 134
러더퍼드의 원자모형_ 끈기와 노력으로 결실을 맺다 … 139

다섯 번째 만남│보어의 원자모형
발머의 공식_ 수소원자의 방출 스펙트럼 … 156
보어의 발견_ 러더퍼드 원자모형을 뒤엎다 … 161
보어의 논문 속으로_ 불연속적인 에너지 … 167
에너지의 양자화_ 원자모형으로 알아본 각운동량 양자화 … 179

만남에 덧붙여
The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science_ 톰슨 논문 영문본 … 184
The Scattering of a and b particles by Matter and the Structure of the Atom_ 러더퍼드 논문 영문본 … 213
On the Constitution of Atoms and Molecules_ 보어 논문 영문본 … 230
위대한 논문과의 만남을 마무리하며 … 254
이 책을 위해 참고한 논문들 … 256
수식에 사용하는 그리스 문자 … 257
노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다 … 258