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권우상 (權禹相) 칼럼 = 노벨물리학상, 기초과학 일찍 가르쳐야

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칼럼

 

 

       노벨물리학상, 기초과학 일찍 가르쳐야

 

 

                                                  권우상

                                      명리학자. 역사소설가

 

 

아파트, 전철, 자동차, 호랑이, 얼룩말, 여자스타킹, 공기, 벽돌, 두부, 아이스크림, 맥주... 이런 것들은 모두 몇 가지의 원자로만 이루어져 있다면 왜 각각 모습이 다를까? 그 답은 연필심과 다이아몬드 반지에서 찾을 수 있을 것이다. 흑연으로 된 연필심과 다이야몬드 만큼 큰 차이가 있는 고체도 없을 것이다. 하나는 검고 하나는 투명하다. 하나는 부더러워서 종이 위에 자국을 남기고 다른 하나는 아주 단단해서 아무것에나 대고 그으면 흠집이 생긴다. 하나는 단조롭고 멋 없이 생긴 반면 다른 하나는 찬란한 광채를 낸다. 게다가 흑연은 값이 싸고 다이야몬드는 값이 수억 원에 이른다. 그러나 흑연이든 다이야몬드든 100% 탄소 원자가 결합되어 있다는 것은 같다. 흑연, 다이야몬드, 그리고 수십만 가지 물질의 원자구조를 연구한 결과 과학자들은 다음과 같은 사실을 알아냈다. 즉 「물질의 특성은 원자의 배열에 의해 결정된다.」 우리가 보고 만지는 모든 것 그리고 끝없이 다양한 모습과 특성을 보이는 수 많은 물질들은 여러 가지 형태로 배열된 원자로 구성돼 있다.

 

 

원자를 특성에 따라 분류하면 수십가지 밖에 안 되지만 이들이 서로 결합해서 기체, 액체, 고체를 이루는 방법의 수는 무한하다. ▪기체는 풍선을 채우고 총알을 날아가게 하고 지구의 대기를 이루고 있다. 각 기체의 알갱이는 하나의 원자(네온이나 헬륨)로 있거나 산소, 탄소, 메탄처럼 두 개 이상의 원자가 모아 분자로 되어 있다. 만약에 우리가 기체의 원자나 분자를 수억 배로 확대해서 볼 수 있다면 이들은 TV에서 로또복권 당첨자 발표를 할 때 볼 수 있는 것처럼 멋대로 돌아다니는 조그만 공들의 모임처럼 보일 것이다. 기체의 알갱이는 서로 달라붙지 않으며 기체를 담고 있는 그릇의 벽과 부딪치기도 하고 자기들끼리 충돌하기도 한다. 자동차 타이어 속의 공기는 압력이 상당히 높다.

 

 

조그만 공들이 빠른 속도로 날아다니며 타이어 안쪽의 벽과 자기들끼리 끊임없이 부딪치기 때문이다. 무엇인가 폭발할 때 큰 에너지가 나오는 것도 밀도가 높은 고체나 액체가 뜨겁고 팽창하는 기체로 갑자기 변화하기 때문이다. 총알, 포탄, 로켓은 이 힘으로 날아가는데 이 힘이 바로 각각의 원자나 분자가 서로 충돌하는 힘이다. ▪액체도 기체와 마찬가지로 고정된 형태이긴 하지만 부피가 정해 있다는 것이 기체와 다른 점이다. 액체를 원자 수준에서 보면 통안에 들어 있는 유리구슬과 비슷하다. 구슬과 마찬가지로 액체 분자들은 서로 미끄러지기도 하고 빈 공간이 있으면 들어가서 채우기도 하지만 각각의 분자는 서로 붙어 있지 않기 때문에 모습은 자유로 바꾸기도 하고 바닥에 쏟아지기도 한다.

 

 

▪고체는 다소 고정된 모습을 가진 물질이다. 고체 속에서 원자들은 제 자리에 고정되어 있기에 충분한 힘으로 서로 묶여 있다. 결정체, 유리, 플라스틱은 가장 보편적인 고체이고, 원자구조가 얼마나 규칙적인가에 따라 구별된다. 금속, 보석, 뼈, 컴퓨터 칩과 같은 것들은 결정체이다, 이들은 규칙적인 3차원의 원자 배열을 갖고 있고 이 배열이 수 없이 반복되어 고체를 이룬다. 결정체는 상자를 쌓아 올려 만든 거대한 덩어리와도 같다. 실제로 이 상자의 크기는 4백만분의 1cm 밖에 되지 않고 상자 하나에 들어 있는 원자의 수도 수십 개에 불과하다. 이 상자더미 속에서는 어느 방향으로 가도 같은 모습만 보인다. 결정체의 구조는 질서정연해서 같은 종류의 원자들은 층층히 쌓아올려진 모습이다. 플라스틱은 일상생활에서 가장 자주 대하는 물질이다.

 

 

일반적으로 쓰이는 플라스틱은 자연에서 존재하지 않는 합성화학물질이며 탄소 원자로 연결된 사슬 모양의 분자들로 이루어져 있어 열을 가하면 사슬들은 서로 약간 분리돼 옆으로 미끄러지기 때문에 말랑말랑 해지고 여러가지 모양으로 바꿀수 있다. 물질의 상태 = 원자 몇 개가 결합해서 분자를 이루고 이 분자가 모여서 우리가 흔히 볼 수 있는 물질을 만든다. 과학은 재미있는 학문이며 알면 알수록 더욱 깊이 빠지는 학문이다. 문제는 교과서에 이런 내용들을 가르치고 있지 않다는 것이다. 동양권에서는 유일하게 우리만 노벨물리학상을 받지 못한다고 한탄만 할 것이 아니라 이러한 기초과학을 재미있게 일찍 학교에서 가르쳐야 한다.

 

 




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