[과학과 기술의 발전] 화학과 광학

1. 화학

사람들은 화학 연구가 체계화되기 전부터도 자연 상태의 물질을 조작해 왔다. 고대 무기, 도자기, 기타 공예 품이, 화학적 원리는 차치하더라도 화 화적 반응에 대한 실용적 지식이 있었음을 입증한다. 초기 철학자들은 세상 만물이 땅, 공 기, 물, 불 등의 기본 물질로 이루어졌다는 이론을 세웠다. 오랜 세월 전해 내려온 의사과학인 연금술과 현대 과학인 화학 사이에는 과학혁명이 본격화되기까지 중첩된 부분이 있었다. 심지어 아이작 뉴턴도 금을 만들어내는 아이디어를 짜내곤 했다. 1600년대에 고대 그리스 의 개념을 거부하고 더욱 보편적인 물질이론을 만들기 위해 실험적 방법론을 강조하여 현재 화학의 창시자로 불리는 로 버트 보일 역시 마찬가지였다. 보일의 시대에 화학은 기체에 대한 연구에 집중되어 있었다. 예를 들어 보 일의 법칙은 기체의 압력과 부피와의 반비례 관계를 설명한다. 시간이 지나면서, 특히 연소 과정에 관심이 집중되었다. 18세기까지 연소 이론은 독일 게 오르크 에른스트 슈탈이 만물이 타게 만드는 물질이라고 가설로 세웠던 플로 지스톤에 집중되었다. 플로지스톤 이론은 프랑스 화학자 앙투안 라부아지에를 만족시키지 못했다. 그는 다양한 물질의 구성요소를 분석하기 위해 발전된 측정방법을 사용했다. 그는 황과 인이 연소 전보다 후에 더 무게가 커진다는 사실을 발견했는데, 이는 플로지스톤이 연소 과징에서 소모된 다는 가설과 불일치했다. 영국 화학자인 조지프 프리스틀리는 실험을 통해 기체가 있으면 촛불이 더 밝게 타오르고 없으면 작은 동물이 죽는다는 사실을 발견했다. 라부아지에는 산소라고 부르는 기체가 연소와 호흡의 핵심이라는 사실을 발견했다. 라부아지에, 프리스틀리, 영국 귀족 헨리 캐번디시, 스코틀랜드 화학자 조지프 블랙의 연구가 합쳐져 현대 원자 및 화학 이론의 기틀이 마련되었다. 19세기 후반과 20세기 초 물리학의 발전도 다른 기초적인 질문에 답을 찾는 데 도움이 되었다. 왜 원자는 처음에 서로 불어 있는가? 전자가 발견되면서 연구는 이 결합의 전기적 근거를 찾는 데 치중했다. 닐스 보어의 양자역학과 라 이너스 폴링의 화학 연구는 원자의 가장 먼 전자 또는 원자값이 다른 원자와 결합하는 능력을 결정한다는 사실을 알아냈다. 분석장비와 제조방법이 발전하면 서, 실용적인 발견과 합성화학물질 개발의 폭발적인 중가가 오늘날까지 이어지 고 있다. 석유에서 섬유와 플라스틱을 뽑아내고, 생명을 지하는 복잡한 화학적 과정의 비밀을 밝혀내고 있다

 

주기율표는 어떻게 작성되었나?

860년대 후반 교과서에 실을 원소 도표를 그리던 러시아 화학자 드미트리 멘델레에프는 원자량에 따른 원소 집합에서 공통점을 발견했다. 8번째 원소마다 화학적 성질이 비슷하다는 것이었다. 여기에 착안하여 그는 오늘날까지 사용되는 주기율표를 만들었다. 원소를 열과 행으로 나열하면서, 비슷한 원소를 수직 집합으로 배치했다. 또 다른 원소들도 결국 발견될 것이라고 정확히 예측했다. 추후에 이 도표는 원자핵의 양성자 개수, 즉 원소번호를 반영하여 재구성되었다. 현재는 92개의 천연원소와 인공적인 핵반응으로 생성된 원소가 포함된다.

 

2. 광학

빛에 대한 분적적인 연구는 시력을 설명하려는 노력에서 출발했다. 초기 그리스 사상가들은 시력을 인간의 눈에서 발산되는 빛과 결부시켜 설명했다. 고대 기하학자 유클리드의 현존하는 연구에서는 왜 멀리 있는 물체가 실제보다 더 작거나 느리게 보이는지를 설명하기 위해 직선을 이용해 안 근 법의 기초 개념을 제시한다. 8세기 이슬람 학자인 아부 알 하산은 유클리드와 프톨레마이오스의 연구를 재거론하며 반사, 굴절, 색상에 대한 연구를 개진했다. 그는 빛을 받은 물체로부터 사방으로 빛이 다시 퍼져 나가고, 그 빛이 우리 눈에 들어올 때 시력이 생긴다고 주장했다. 16세기말에서 17세기에 유리를 연마하는 기술이 발전하면서, 네덜란드 수학자 빌레브로르트 스넬과 같은 연구자들이, 빛이 렌즈나 액체를 통과할 때 구부러진다는 사실을 발견했다. 당대 사람들은 빛의 속도가 무한하다고 믿었으나, 덴마크 천문학자인 올레 뢰머는 1676년에 목성의 위성을 망원경으로 관찰하여 빛의 속도가 초당 14만 마일이라고 측정했다. 같은 시대에 아이작 뉴턴은 프리즘을 이용해 백색광원이 기본 색상의 스펙트럼으로 분리될 수 있다는 사실을 입증했다. 그는 빛이 입자로 구성된다고 믿었지만, 네덜란드 수학자 크리스티안 호이겐스는 빛을 파동으로 설명했다. 입자 대 파동의 논쟁은 1800년대에 가열되었다. 영국 의사 토머스 영의 시력 실험은 빛의 간섭원리를 입증하여 파동설을 지지했다. 스코틀랜드 물리학자 제임스 맥스웰의 연구는 전기와 자기력을 결합하여 같은 원리가 빛에도 적용된다는 사실을 입증했다. 맥스웰은 가시적인 빛이나 비가시적인 전자기장이나 단일한 스펙트럼상에 놓인다고 상정했다. 19세기말에서 20세기 초 양자물리학이 나오면서 빛에 대한 이해가 한 단계 도약했다. 물질의 표면에 빛을 비추면 전자가 튀어나오는, 이른바 광전효과를 연구하면서, 알베르트 아인슈타인은 빛이 광양자에서 나오고, 전자가 원자핵 주위의 궤도를 바꾸다가 다시 본 위치로 돌아갈 때 빛이 발산된다고 결론 내렸다. 아인슈타인의 발견은 빛의 입자 설을 지지하는 듯 보였지만, 그 후의 실험 결과 빛과 물질은 파동인 동시에 입자의 성질을 떤다는 사실이 밝혀졌다.

 

레이저는 어떻게 작동하는가?

아인슈타인의 광전자 효과에 대한 연구로, '복사선의 유도 방출에 의한 빛의 중폭이란 의미의 줄임말인 레이저가 개발되었다. 보통 전자가 하나의 양자 상태에서 들떠 다른 상태로 돌아갈 때 하나의 광양자를 방출한다. 그러나 아인슈타인은 이미 들뜬 원자에 적합한 종류의 자극만 있다면 2개의 동일 광양자를 방출할 것이라고 예측했다. 이후 실험 결과 루비 같은 특정 원천 물질은 2개의 광양자를 방출할 뿐 아니라, 간섭성이 높아 손전등의 불빛처럼 산란되지 않지만 똑같은 파장과 진 폭을 모두 갖추고 있었다. 이렇게 강력하게 집중된 빔은 현재 슈퍼마켓 스캐너, 휴대용 포인터, 병원 수술실부터 중공업 생산현장에까지 사용되는 절단 도구 등에 두루 이용된다.