믿음과 문화의 대화 ( 과학부분 15-9 )(원소 주기율표)

[강원한]

믿음과 문화의 대화 ( 과학부분 15-9 )

원소 주기율표

벤자민 와이커( Benjamin Wiker )

조나단 위트와 공저

[의미있는 세상 : 어떻게 예술과 과학이 자연의 경이로움을 보여 주는가]

( A meaningful World : How the Arts and Sciences Reveal the Genius of Nature )

에서 발췌. 와이커는 디스커버리 연구소의 이사이며 마르켓 대학에서 교수로 재직했다.

현재 오하이오에서 아내와 일곱 명의 자녀와 함께 살고 있다.

주기율표의 순서에 대한 관심은 패턴에 대하여 사람들이 관심을 갖게 되면서 시작되었다. 근대 화학자들은 원소 주기율표를 만들어 내기 이전에 원소가 어떤 치밀하게 설계된 패턴에 따라 순서가 매겨진 것이 아닐까 생각했다. 실제로 원소의 순서는 아무리 상상력이 뛰어난 학자라도 상상할 수 없을 만큼 정밀하게 짜여 있다. 화학자들은 주기율표를 통해 아름다운 선율과 화음을 발견했다.

1800년대 초까지는 과학자들이 원소 ‘더미’ 가운데서 일정한 패턴을 찾을 수 있는 일련의 원소가 있었다. 처음으로 이러한 패턴을 밝힌 사람은 요한 되베라이너(1780-1849)로 ‘3가 원소’를 발견한 사람이었다. 이 3가 원소는 3개 원소로 이루어져 있는데 가운데 원자의 원자량이 대략 다른 두 원자의 평균이다. 예를 들어 되베라이너는 스트론튬의 원자량은 칼슘과 바륨의 원자량의 평균이라고 했다.

1800년대 중반에는 장 뒤마가 원소들이 동일한 화학적 성질을 갖고 있고 각 원자량은 간단한 수학적 패턴과 연관이 있음을 밝혀냈다. 그가 밝힌 원자에 관한 공식은 다음과 같다.

질소 = 원자량 14

인 = 원자량 31 [ 14+17 ]

비소 = 원자량 75 [ 14 +17 + ( 44 x 1 ) ]

안티몬 = 원자량 119 [ 14 +17 + ( 44 x 2 ) ]

뒤마는 알지 못했지만 정확히 원소 주기율표의 15족에 속한 원소를 나열한 것이다.

뒤마가 얻은 지식을 바탕으로 존 뉴랜드 ( 1837 - 1898 )는 누가 보아도 명백한 일을 통해 한층 더 놀라운 사실을 발견하게 되었다. 그는 원소들을 수소부터 시작하여 원자량 순서로 단순하게 나열했다. 그러자 매 여덟 번째 원소마다 유사한 성질을 가지고 있음을 깨닫게 되었다. 그는 이것을 음악의 음계에서 따와 ‘옥타브 법칙’이라 불렀다. 주기율표를 보게 되면 각 열이 유사한 화학적 성질을 지니고 있음을 알게 된다. 그렇다면 이 법칙은 주기율표의 순서를 정의하는 셈이다.

이제 이러한 주기율표를 설계한 사람에 대해서 상상할 수 있다. 마치 아버지가 자녀와 함께 보물찾기를 하면서 자녀에게 힌트를 하나씩 알려주어 점차 보물에 가까이 다가가도록 하고, 결국 바로 눈앞에 있는 보물을 찾도록 하는 것과 같은 것이다.

실제로 ‘보물을 찾고’ 다음 단계로 나아간 사람은 러시아의 과학자 드미트리 멘델레예프 였다. 그는 결국 원소 주기율표를 완성한 사람으로 인정받게 되었다. 뉴랜드가 음계를 따 옥타브를 사용한 반면 멘델레예프는 카드처럼 섞었다. 각 카드에는 화학 원소의 이름과 성질을 적어 놓았다. 일정한 패턴을 좋아하는 하나님의 피조물로서 그는 자연이 그토록 무질서한 원소 더미를 만들어 놓았을 것이라 생각하지 않았다.

그는 원소를 적어 놓은 카드에 대해 연구에 연구를 거듭한 끝에 원자량 순으로 배열하였을 때 패턴이 드러난다는 사실을 깨eke게 되었다. 즉 일정하게 화학적 성질이 배열된 것이다. 그는 이 사실을 발견하고 같은 성질의 원소를 같은 열로 배열하여 1족 2족으로부터 8족까지 구분했다. 멘델레예프는 자연도 패턴을 선호한다고 믿어 원량에 다른 화학적 성질 변화 패턴을 바꾸도록 허용하지 않았다. 그는 특정 족에 적합한 성질을 지닌 원소 가운데 아직 알려지지 않은 것이 있거나 원자량 차이가 비정상적으로 날 경우 등에는 단호히 빈칸으로 남겨두었다. 게다가 그 빈 칸을 채우게 될 새로운 원소가 앞으로 발견될 것이며 따라서 화학적 성질과 원자량 등이 모두 완성될 것이라 생각했다.

예를 들어 그는 칼슘과 티타늄 사이에 원소가 존재할 것으로 예측하고 그 성질을 설명하며 원자량 44로 배정했다. 그로부터 몇 해 후 1879년 라르스 닐센이 그것을 발견하고 ‘스칸듐’으로 명명했다.

자연에는 일정한 질서가 있는데 그것은 그저 단순한 질서가 아니라 마치 설명서와도 같아서 연구자들이 하나씩 탐구해 갈수록 이전에는 보이지 않았던 질서가 점차 밝혀져 마침내 지성으로 이해할 수 있게 되는 것이다. 역사 속에서 화학의 발전이 이렇게 이루어졌고 우주가 무질서 했다면 이러한 발전은 이루어질 수 없었을 것이다. 어느 한 단계에서 질서가 우연히 존재한다면 우연의 결과로 치부할 수 있겠지만, 한 단계만이 아닌 여러 단계에 걸쳐 일정한 질서가 있고, 그러한 질서를 분명히 발견해 낼 수 있기 때문에 이러한 질서의 존재에는 어떤 계획된 의도가 있다는 것이다.

만약 과학적 발견을 통해 우주의 질서가 난해하게 얽혀 있음을 알게 된다면 우리는 허무한 우주 속에 사는 불운한 생명체에 불과하다고 느낄 수밖에 없다. 화학의 역사가 보여주는 바와 같이 우리는 패턴을 찾아내는 생명체이고 패턴에 대해 호기심을 가지고 탐구하도록 설계된 존재이다. 그리고 자연은 우리가 발견할 수 있는 일정한 질서를 유지하고 있는 것이다.

묵상과 토의를 위하여

1. 자연 세계에서 당신이 놀랍다고 느낀 일정한 질서가 존재하는가?

만약 그러하다면 그 질서를 통해 하나님께서 당신에게 어떻게 말씀하시는가?

2. 와이커의 생각이 창조와 인간 본성에 관한 당신의 관점과 어떻게 연관되는가?

예수를 말씀(로고스, 요1:1)으로 보면 그 말씀은 무질서와 혼돈 가운데 의미와 질서,

논리와 이성이라는 개념을 정립해 준다. 예수는 온갖 이야기와 감성, 은혜로 충만한

사람의 몸을 입고 오신 질서와 이성의 정수다.

3. 예수께서 당신의 삶에 질서와 의미를 어떻게 가져다 주는가?

과거에는 어떻게 그렇게 하셨는가?

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