주기율표

에릭 셰리

주기율표의 역사와 철학을 전문적으로 연구하는 선구적인 철학자이자 화학자이다. 모든 교육을 영국에서 받은 그는 캘리포니아 공과대학교에서 박사후과정을 마친 뒤 로스앤젤레스 캘리포니아대학교에서 화학과 과학의 역사 및 철학의 강사로 13년이 넘게 재직하고 있다. 주기율표에 관한 몇 권의 책들을 펴냈고 화학, 화학의 교육과 역사, 과학철학 등에 대해 150편이 넘는 논문과 대중적인 글들을 썼다. 또한 그는 《화학의 기초(Foundations of Chemistry)》라는 잡지의 창간자이자 편집장이며, 세계 각국에서 주기율표의 역사와 중요성에 대해 자주 강연하고 라디오와 텔레비전에도 출연하고 있다.

서론
1. 원소
2. 간략하게 살펴본 현대 주기율표
3. 원자량, 세쌍원소, 프라우트
4. 주기율표를 향하여
5. 러시아의 천재, 멘델레예프
6. 주기율표를 침범한 물리학
7. 전자 구조
8. 양자역학
9. 현대의 연금술: 미발견 원소에서 합성 원소로
10. 주기율표의 다양한 형태
감사의 말/ 읽을거리/ 역자 후기/ 도판 목록

원소의발견을둘러싼미완의프로젝트

원소에서현대주기율표,물리학의침범,합성원소까지
2019‘국제주기율표의해’를맞아미시세계로안내한다!

“주기율표는자연의로제타석이다.화학자에게주기율표는물질의구성원리,즉화학의구성원리를드러내는자료다.(…)어쩌면화학의전부가주기율표에서시작된다고말하는편이더적절할수도있겠다.”_루디바움,〈케미컬&엔지니어링뉴스〉편집장

“주기율표는인간이지금까지고안한것중가장압축적이고유의미한지식꾸러미일것이다.(…)주기율표의역사는곧인류가미시세계를정복해온위대한이야기다.”_할로섀플리,천문학자

“주기율표는(…)세상이가장미시적인수준에서어떻게조직되어있는가를이해하게끔해주는모형이다.”_로버트힉스,화학사학자

2019년은유네스코와유엔이정한‘국제주기율표의해’다.러시아화학자드미트리멘델레예프가최초의현대적주기율표를발표한해가꼭150년전인1869년이다.주기율표는과학의상징이나다름없다.그리고자연과학의어느분야를연구하든주기율표에대한이해가꼭필요하다.이책에서저자에릭셰리는과학자들이주기율표속원소들에관한지식을어떻게얻었는지,그리고그지식의의미를더폭넓은맥락에서살펴본다.또한주기율표의발전에기여했던주요인물들을소개하고,초기원자이론과양자역학처럼역시주기율표의발전에기여했던핵심적이론들을짚어본다.나아가최적의주기율표라는것이과연존재하는가하는논쟁적질문을제기하고,만약그런것이가능하다면그형태는어떨지생각해본다.주기율표에는여러형태가있다.3차원도있고,타원형도있다.주기율표가‘완성된프로젝트’인것도아니다.원소번호118번너머의원소들을인공적으로합성하려는노력도이루어지고있는만큼,장차주기율표에는새주기가생길것이다.물리학이아직주기율표를온전히설명해내지못하는부분들이있고,그것이현재물리학의한계인지주기율표의한계인지도아직은모른다.

주기율표에담긴질서
주기율표의특별한점은그것이단순하고친숙한도표이면서도과학에서정말로근본적인지위를차지한다는것이다.주기율표는모든물질을구성하는가장기본적인요소들을조직한체계라고할수있다.주기율표에담긴질서는원자의구조를더깊이이해하게해주고,전자가특수한껍질과오비탈(궤도함수)에담겨서핵주변을돈다는개념도더깊이이해하도록해주었다.더중요한것은,과학자들이원래주기율표를이해하고자발전시켰던원자구조지식이이후과학의다른분야들에도널리적용되었다는점이다.원자구조에관한지식은처음에는양자이론에,이후에는양자역학에기여했다.양자역학은지금까지도물리학의근본이론으로기능하면서가시광선,엑스선,자외선등모든복사선의행태까지설명해준다.“19세기에이루어진대부분의과학적발견들과는달리,주기율표는20세기와21세기의발견들로인해반박되지않았다.그렇기는커녕특히현대물리학의발견들은과학자들이주기율표를더가다듬고그때까지남아있던몇몇변칙적사실을정리하는데도움이되었다.어쨌든주기율표의전반적인형태와타당성은조금도손상되지않았으며,이사실은이지식체계의놀라운힘과깊이를증명하는또하나의증거다.”

원소의발견과흥미로운명명법
추상적인원소개념은주기율표의제일중요한발견자인멘델레예프를비롯하여주기율표를개척했던연구자들에게길잡이원리로기능했다.오늘날의교과서들은화학이원소의성질을신비주의적으로설명하는고대의시각으로부터등을돌렸을때비로소제대로시작되었다고말한다.앙투안라부아지에는원소란아직그보다더근본적인구성요소로분해된다는사실이확인되지않은물질이라고정의했다.1789년에그는33가지단순한물질,즉원소의목록을발표했다.이목록에는현대의기준으로도원소로분류되는물질이많지만빛과열처럼지금은원소로간주되지않는물질도있다.이후화학물질을분리하고그성질을알아내는기술이빠르게발전함에따라,화학자들은이목록을더확장할수있었다.오늘날자연에존재하는원소는약90종으로파악되고있다.게다가인공적으로합성된원소도25종이넘는다.철,구리,금,은같은몇몇원소는인류문명이시작되었을때부터알려져있었다.주기율표에등장하는원소들은그성질만큼이나이름도흥미롭다.61번프로메튬은프로메테우스신의이름을땄고,헬륨은그리스어로태양을뜻하는‘헬리오스’에서온이름이다.기체일때황록색을띠는염소(클로린)의이름은그리스어로황록색을뜻하는‘클로로스’에서왔다.세슘은라틴어로회청색을뜻하는‘카이시움’에서왔는데,세슘의스펙트럼에서회청색선이두드러지기때문이다.또발견자가살았거나기념하고싶어한장소에서이름을딴아메리슘,버클륨,캘리포늄,다름슈타튬,유로퓸,프랑슘,저마늄,하슘,폴로늄,갈륨,하프늄(코펜하겐의라틴어이름‘하프니아’에서왔다)등도있다.

주기율표의‘공동발견자’,율리우스로타어마이어
과학계에영향을미친최초의주기율표를발표한사람은독일화학자율리우스로타어마이어였다.그러나로타어마이어는제대로된주기율표를누가발견했는가하는문제에서보통멘델레예프에뒤진인물로여겨진다.저자에릭셰리는“이평가는대체로옳지만로타어마이어의연구에는그를차점자가아니라공동발견자로여겨도무방하다고보게만드는측면들이많이있다”고지적한다.1864년에출간된로타어마이어의이론화학교과서에는그의두주기율표가실려있었다.원소22개를포함한두번째표도원소들을대체로원자량오름차순으로배열했다.로타어마이어의접근법은이론화학적혹은물리화학적접근법이었는데,원소의밀도,원자부피,녹는점같은정량적성질을화학적성질보다중시했다.그역시주기율표에빈칸을남겨두었고,언젠가그빈칸을채울원소의성질을예측하려는시도도해보았다.로타어마이어의예측중하나는1886년에분리되어저마늄이라고명명될원소가존재할것이라는예상이었다.멘델레예프와는달리로타어마이어는모든물질이본질적으로는동일하다고믿었으며,원소들도합성물일것이라는프라우트의가설을지지했다.1868년에로타어마이어는교과서개정판을준비하면서기존주기율표를확장하여총53개의알려진원소를포함시켰는데,출판사가이표를잃어버린탓에교과서나다른학술지에도실리지못했다.“그때이표가알려졌더라면,자신이먼저주기율표를발견했다는멘델레예프의주장이지금처럼무게있게받아들여지지못했을수도있다”고저자는지적한다.