만물의 근원에 관한 모든 것

던 링컨(페르미 연구소 수석 과학자)

이 책은 시작부터 끝까지 오로지 원자에 관한 책이다. 물질의 근원에 대해 과학자들이 이루어 온 놀라운 성과를 보여주며, 화려한 그림을 통해 이해하기 쉽고 간결하게 설명하는 최고의 원자 입문서라 할 수 있다. 원자 개념의 발전 과정, 원자의 기본 구조, 원자 간의 상호 작용, 원자핵이 가진 힘, 아원자 입자들로 이루어진 양자 역학의 세계, 그리고 반도체, 레이저, 방사능, 핵반응 등 원자의 이해에 기반한 기술 발전에 관해서도 살펴본다. 이제껏 물리학과 화학 교과서에서 한두 장에 걸쳐 설명되어 온 원자를 무대의 중앙에 올린 이 책을 통해 우리는 가장 작고 물질의 근원이 되는 구성 요소를 향한 탐사를 떠날 것이다.

서문
ㆍ 물질은 무엇으로 이루어져 있는가?

제1장 “원자” 개념의 역사
ㆍ 모든 것과 없는 것: 모든 것은 변한다 - 정말 그럴까? | 원자 ? 변화에 대한 이해 | 인도의 원자이론 |
“없는 것”은 매우 중요하다
ㆍ 스콜라주의적 관점: 이슬람 문명의 황금기 | 유럽으로의 확산 | 아리스토텔레스에 대한 의심
ㆍ 물질에 대한 새로운 과학: 화학 반응 | 변화하는 원소 | 입자론 | 공기 중의 변화 | 새로운 원자이론
ㆍ 확실한 이론: 화학 - 여느 때와 다름 없는 | 원자를 연구하는 물리학자 | 회의론자들을 설득시키는 법
ㆍ 원자의 내부: 원자의 구조 | 원자핵의 발견 | 파동과 입자 | 원자핵 속으로 | 보다 심오한 원자론

제2장 원자의 구조
ㆍ 스케일 가늠하기: 원자의 측정 | 원자 스케일 단위 | 무게 재기 | 원자 질량 단위
ㆍ 원자는 어떤 모양일까?: 전자 대기
ㆍ 양자역학: 뉴턴의 법칙 | 역학이란 무엇인가? | 양자란 무엇인가? | 광전 효과 | 파동-입자 이중성 | 파동 함수 |
기타 줄에서의 정상파 | 전자 오비탈 | 원자 오비탈
ㆍ 원자핵: 핵 불안정성 | 방사능 | 방사능 방출 | 양자 핵 | 반감기

제3장 원자의 정체성
ㆍ 원소의 확인: 분광학 | 질량 분석계
ㆍ 원소의 기원: 태초의 핵종 | 최초의 빛 | 초신성 폭발
ㆍ 주기율표: 전자를 추가하기 | 첫 번째 전자 껍질 이후 | s-구역 | p-구역 | d-구역 | f-구역

제4장 원자의 결합
ㆍ 입자로서의 물질: 고체: 고정된 입자 | 열분해 | 액체: 움직이는 입자 | 기체: 자유롭게 날아다니는 입자 |
콜로이드- 한두 가지로 설명할 수 없는 존재
ㆍ 원자 간의 만남: 이온 결합 | 공유 결합 | 분자 궤도 | 탄소: 만능 결합 | 분자와 빛 | 금속 결합
ㆍ 화학 반응: 결합 에너지 | 생명의 반응

제5장 원자의 관찰 및 조작
ㆍ 원자를 관찰하는 방법: 분해능의 문제 | 전자의 사용 | 최초의 원자 이미지 | 주사 투과 전자 현미경
ㆍ 주사 탐침 현미경: 주사 터널링 현미경 | 원자힘 현미경
ㆍ 원자 간의 상호 작용: 원자의 이동 | 화학 반응의 촉진 | 화학 결합의 분해 및 생성 | 원자의 감속 | 자기광포획 장치 |
펨토화학 및 아토화학

제6장 원자의 응용
ㆍ 반도체 소자: 전도도 | 도핑 | 다이오드 | 레이저 | 트랜지스터 | MOSFET의 작동 원리
ㆍ 자기: 자기란 무엇인가? | 스핀 | 핵 자기 | 자기공명영상
ㆍ 방사능: 의학에서의 방사능 | 가정에서의 이온화 | 붕괴열 | 방사능 연대측정법
ㆍ 핵반응: 핵분열 | 분열 연쇄 반응 | 핵융합

제7장 원자론의 종말?
ㆍ 궁극의 원자를 찾아서: 또 다른 입자들 | 표준 모형
ㆍ 양자장: 장은 무엇인가? | 파인만 다이어그램 | 양자장 이론 | 불확정성 원리 | 장의 통일 | 양자 불확실성
ㆍ 새로운 플레넘: 뒤돌아보기

용어 설명
더 읽을거리
색인
감사의 글

물질은 무엇으로 이루어져 있는가?
인간에게 호기심이란 것이 존재한 이래로, 우리는 물질이 무엇으로 이루어져 있는지에 대해 의문을 품어 왔다. 원자의 현대적 정의는 지난 200년 동안 이론과 관찰, 실험을 통해 발전해 왔다. 1장에서 우리는 “원자”의 개념에 관한 기나긴 역사를 되돌아보면서, 위대한 지성들의 탁월한 사상을 대략적으로 살펴볼 것이다. 원자는 어떤 모양이며, 어떻게 행동하는가?
오늘날 원자에 대한 이해는 양자 이론에 의존한다. 양자 이론이란 원자 스케일에서 입자들의 상호 작용을 지배하는, 직관에 반하지만 잘 검증된 일련의 규칙을 말한다. 2장에서는 원자의 기본 구조를 이해하기 위해 양자 이론을 다소 깊이 있게 들여다본다. 원자의 내부에서 전자는 핵 주변에 특정한 패턴으로 배열되어 있으며, 핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있는 조밀한 중심부이다.원자는 어떻게 생겨났을까?
자연적으로 존재하는 원자의 종류, 즉 원소는 약 90개에 불과하다. 우주가 생성될 때 최초 몇 분 동안 양성자와 중성자가 결합해 단순한 핵을 형성하면서 몇몇 원소가 생겨났다. 고온 고압의 항성 내부에서는 원시 원자의 핵이 결합, 즉 “융합”해 더 큰 원자핵을 만들면서 무거운 원소들이 생겨났다. 초신성은 더욱 무거운 원소를 생성하는데, 이는 더 큰 핵이 융합하기 때문이다. 3장에서는 원소의 생성 과정과 특성에 대해 알아본다. 또한 원소를 비슷한 성질을 가진 것끼리 묶어 분류한 주기율표에 대해서도 소개한다. 원자는 어떤 방식으로 물질을 이룰까?
4장에서는 원자 간의 상호 작용이 물질의 물리적 성질과 화학적 성질을 어떻게 설명하는지에 대해 알아본다. 원자 간에 작용하는 인력은 결합을 형성하며, 여러 입자들 간의 상호 작용은 고체, 액체, 그리고 기체의 물리적 성질 및 행동을 설명할 수 있다. 원자를 실제로 볼 수 있을까?
5장에서는 과학자들이 원자에 관한 상세한 지식을 얻는 데 바탕이 된 현대 기술에 대해 살펴본다. 현미경의 발달 덕분에 원자 표면의 이미지를 생성하거나 원자를 하나씩 조작할 수 있게 되었다. 원자는 현대 과학에서 어떻게 쓰일까?
6장에서는 20세기와 21세기에 걸쳐 원자 이론이 일상생활과 일상을 벗어나는 영역에서 기여한 점에 대해 알아본다. 양자 이론으로 인해 전자공학자들은 전자를 지배할 수 있게 되었고, 이는 디지털 혁명의 바탕이 된, 컴퓨터를 비롯한 여러 기기의 개발로 이어졌다. 또한 핵반응과 방사능에 대한 이해 덕분에 인류는 거대한 에너지원을 얻게 되었지만 핵무기의 위협에 노출되기도 했다.원자론의 미래는?
이 책의 마지막 장인 7장에서는 입자와 이들의 상호 작용을 나타낸 표준 모형을 통해 원자론의 현재 상태에 대해 알아본다. 이 아름다운 이론은 스위스와 프랑스의 국경 지대에 있는 CERN에서, 대형 강입자 가속기와 같은 강력한 입자 가속기를 이용해 이론 물리학자들과 실험 물리학자들이 수십 년 동안 연구해 온 결과이다. 표준 모형으로 인해 우리는 방대한 아원자 입자 세계를 이해할 수 있게 되었고, 신의 입자로도 불리는 힉스 보손의 존재와 같은 대담한 예측도 가능했으며 이는 실제로 입증되었다. 그 중심에 이 세상을 구성하는 (쪼개지지 않는) 기본 입자, 즉 진정한 “원자”가 있다. 그러나 표준 모형에는 아직까지 풀리지 않은 난제가 있다. 이는 표준 모형이 입자는 고체가 아니라 모든 공간에 스며드는 “장(field)”의 발현이라는, 양자 이론의 연장인 양자장 이론에 기반을 두고 있기 때문이다. 현대 물리학에 의하면 “원자”는, 무한하고 눈에 보이지 않으며 실체가 없는 포텐셜의 바다 위를 표류하는 파동일 뿐이다.가장 원초적이면서도 가장 현대적인 존재인 원자.
그 정체를 파악하기 위해 수많은 과학자들이 시간과 정열을 쏟았고, 이는 앞으로도 계속될 것이다.
일반 대중의 눈높이에 맞춰 쉽고 간결하게 서술된 이 책을 통해, 우리는 과학사의 과거와 현재, 그리고 미래에서 원자의 위치를 조망하며, 그 존재 의미를 깨 위한 실마리를 얻을 수 있을 것이다.
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