미스테리 끄새

youtu.be/VKqMxkcrul4 원자로는 중성자와 우라늄 같은 핵분열물질에 의한 연쇄반응의 결과 핵에너지를 방출시키는 장치이다. 이는 근본적으로 에너지를 방출시키는 점에서 연탄난로와 다름이 없다. 근래 연탄이 거의 사라졌지만 연탄난로란 무연탄과 같은 연소물질이 산소와 연소한 결과 화학반응열을 방출하는 장치이다. 그런데 이들의 차이는 간단하게 전자와 원자핵의 차이다. 한마디로 원자로는 원자 속의 작은 원자핵과 관련하지만 화학반응열은 전자에만 관련된다. 즉 무연탄이 탄다는 것은 각각 탄소와 산소의 제일 바깥쪽의 구역에 있는 최외곽전자들의 조작에서 일어나는 것이다. 즉 전자들이 서로 함께 붙으면서 탄산가스가 나오는데 이때 화학반응열이 나오고 그 열로 삼겹살을 구워 먹을 수 있다. 이때 원자의 한가운데 있..

youtu.be/zs2P8lyVK0g 자연계에 존재하는 우라늄, 즉 우라늄 광산에서는 연쇄반응이 일어나지 않는다. 그 이유는 자연적인 우라늄의 대부분이 U-238로 이루어져 있고 U-235는 0.7%밖에 되지 않기 때문이다. 따라서 우라늄을 이용하여 막대한 에너지를 뽑아내려면 우라늄의 농도를 증가시켜 연쇄 반응을 일으키기 쉽도록 해주는 작업이 필요하다. 이것을 우라늄 농축이라고 한다. 핵폭탄용 우라늄은 우라늄 235의 농도를 94% 정도로 충분히 높인 것이며 3~4%의 농축도에서 꺼내면 원자력 발전용 연료로 사용할 수 있다. 원자력의 가장 큰 특징 중의 하나는 사용한 핵연료를 다시 재활용할 수 있다는 점이다. U-235의 핵분열로 대량의 에너지를 얻은 후 원자로에서 뽑아낸 사용이 끝난 연료, 즉 사용 후..

youtu.be/w8j8oKzAo28 원자폭탄이라는 괴물의 위용을 본 구소련과 미국의 학자들 모두 원자폭탄에 대해 거부반응을 일으킨 것은 아니다. 노벨이 발명한 다이너마이트가 전쟁에 사용되어 많은 인명을 살상하는데 이용되기도 했지만 도로나 교량 건설, 광산 등에서 평화적인 용도로 사용할 수 있는 것처럼 핵도 평화적으로 사용할 수 있다고 생각했기 때문이다. 학자들은 원폭의 폭발력이 다이너마이트보다 더 위력적이므로 댐과 고속도로를 건설하는 등의 건설 계획에 광범위하게 이용될 수 있다고 생각했다. 그러나 항구의 건설, 해협을 파는 것, 암석 파괴 등으로 사용될 수 있다는 과학자들의 소박한 꿈은 모두 수포로 돌아갔다. 예상치 못한 장애물이 나타난 것이다. 바로 마리 퀴리가 명명한 '방사능'이다. 방사능이라는 장..

youtu.be/h-NHdeY9b8s 1980년, 지질학자 월터 알바레즈가 퇴적층을 연구하기 위해 이탈리아를 여행하면서 1센티미터 두께의 진흙층을 발견했다. 그는 그 진흙이 지질학적으로 짧은 시간 간격을 나타낸다고 가정하고, 1968년 소립자에 대한 업적으로 노벨물리학상을 수상한 아버지인 루이스 W. 알바레즈 박사에게 진흙층이 침전되는데 얼마의 시간이 걸리느냐고 질문했다. 루이스 알바레즈는 아들이 갖고 온 진흙층을 분석한 결과 백금 계열의 이리듐 함량이 비정상적으로 많이 포함되어 있다는 것을 발견했다. 일반적으로 지구 표면에서는 이리듐이 약 10억분의 0.03에 불과한데, 이탈리아에서 발견된 진흙층에서는 거의 300배에 달했다. 이리듐은 오래 전에 지구의 중심 쪽으로 가라앉은 금속으로 지구 표면에서는 발..

youtu.be/BlKmjyCMySE 일본에 원자폭탄이 떨어지게 된 배경으로는 당시의 국제 정세를 무시할 수 없다. 1945년 5월 7일, 독일이 연합군 측에 무조건 항복하자 소련의 일본 참전 기한은 석 달 후인 1945년 8월 8일로 정해졌다. 미국 정부는 이때 이미 전쟁이 종료되면 공산주의 체제인 소련과의 대립을 예상하고 있었다. 종전 후 국제사회에서 우세한 지위를 확보하기 위해서는 소련이 참전하기 전에 미국만의 힘으로 일본이 항복하도록 밀어붙일 필요가 있었던 것이다. 1945년 6월 1일, 원자폭탄 투하에 관한 임시위원회는 다음과 같은 보고서를 제출했다. ① 원자폭탄은 가능한 한 빨리 일본에 대해 사용되어야 한다 ② 원자폭탄은 이중목표를 목적으로 민간인 거주지로 둘러싸여 있거나 인근에 있는 군사 시..

youtu.be/2kcs52xGiLc ‘맨해튼 계획’ 팀은 1945년 7월, 핵폭탄을 만들기에 충분한 우라늄235와 플루토늄239를 정제하여 세 개의 원자폭탄이 완성되었다. 그들은 로스앨러모스(우라늄 농축 및 관련 연구는 테네시 주 오크리지 국립연구소에서 담당)로부터 300킬로미터 떨어진 뉴멕시코 주 앨러모고도 트리니티사이트에서 원폭 1개를 실험키로 했다. 폭탄은 강철 탑 꼭대기에 설치되었고 그 주위에는 과학적 감시 장비들이 설치되었다. 원래 7월 15일 폭발 시험을 하기로 했는데 기후가 나빴다. 이례적으로 소낙비가 퍼붓고 강풍이 몰아쳐 연기되었다. 다행하게도 다음날인 7월 16일 일기가 호전되자 오펜하이머와 그의 팀은 그곳으로부터 약 10킬로미터 떨어진 통제실에 있었고 그 밖의 과학자들과 관찰자들은 1..

youtu.be/7I3cTQvnW4E 보어는 미국의 원자폭탄 개발에 참여했지만 하이젠베르크는 오토 한과 같이 독일에서 원자폭탄을 제조하려는 계획에 전혀 참여하지 않았다. 후일 알려진 이야기이기는 하지만 일본 히로시마에 원자폭탄이 투하되던 1945년 8월 6일 소위 ‘우라늄 클럽’이라고 불리던 독일의 학자들은 영국의 케임브리지로부터 약 40킬로미터 정도 떨어진 고드만체스터라는 마을의 팜 홀이라는 커다란 저택에 연금되어 연합군의 감시를 받고 있었다. 당시에 연금된 학자들로는 하이젠베르크, 1914년 노벨물리학상을 수상한 막스 폰 라우에, 1944년에 노벨화학상을 받은 오토 한, 이론물리학자 칼 프리드리히 폰 바이츠재커, 칼 비르츠 등도 있었다. 히로시마라는 도시에 원자폭탄이 떨어졌다는 소리를 듣고 하이젠베르..

youtu.be/QG1B6ML8Dlk 1942년 12월 2일 모든 준비가 끝나고 오전에 연구진과 참관단이 스쿼시 코트의 북쪽 끝에 있는 발코니에 모이자 페르미는 곧 보여줄 작업에 대해 설명했다. ‘지금은 중성자를 흡수하는 카드뮴 봉이 안에 들어 있어 원자로가 작동하지 않습니다. 봉은 하나만 있어도 연쇄반응을 막기에 충분합니다. 따라서 우리가 처음 할 일은 조지 와일(Jeorge Weil)이 맡고 있는 하나만 빼고는 모든 제어봉을 제거하는 겁니다. 다른 봉들과 같이 빼낸 이 봉은 자동으로 제어됩니다. 만일 반응의 강도가 정해진 한계가 넘으면 이 봉은 자동으로 원자로 속으로 다시 들어갑니다. 이제 실험이 시작됩니다. 조지 와일은 제어봉을 조금씩 빼낼 것이며 우리는 측정을 통해 원자로가 계산대로 작동되는지 확..

youtu.be/1QK6BySGNz4 핵분열반응이 일어나게 하기 위해서 중성자로 핵을 때려야 하고, 핵융합반응이 일어나게 하기 위해서는 입자를 큰 속도로 가열하여 충돌시켜야 하기 때문이다. 그런데 이 작업은 간단한 일이 아니다. 역으로 말한다면 우라늄의 연속 반응을 일으키기 위해서는 막대한 예산과 인원이 필요하다는 뜻이다. 지구에서는 이런 때에 항상 극적인 사건이 일어나 해결책을 제시한다. 변수는 역시 전쟁이었다. 오토 한의 자신이 얻은 실험 결과의 의미를 몰랐지만 마이트너는 앞에 설명한 것처럼 그들의 실험 결과가 무엇을 뜻하는지 알았다. 프리시는 마침 미국으로 출발하려던 보어에게 독일인 한이 발견한 핵분열에 대한 실험을 설명했다. 중요한 것은 한이 독일 사람이라는 것이었다. 그가 나치에 협조하여 핵폭탄..

youtu.be/KVzeD1VOJeM 앞에 설명한 내용들은 거의 모두 노벨상과 관계될 정도로 어려운 핵물리학에 관한 내용이므로 다소 딱딱하게 느껴지게 마련이다. 특히 핵물리학이라 하면 일본에 투하된 원자폭탄이나 방사능을 연상하므로 으스스하게 들리기도 한다. 그러나 이들이 실제로 우리 생활에 접목된 지 오래되었으므로 이를 피할 수 없는 세대가 된 것은 사실이다. 위의 설명을 이해하기 쉽도록 가능한 한 풀어서 다시 한 번 설명하면 질량이라는 것이 매우 농축된 형태의 에너지라는 점이다. 원자핵은 밀도가 높고 무거워 원자 무게의 대부분을 차지하지만 부피에서 차지하는 것은 거의 없다. 대부분의 물질에 있어서 원자핵은 안정되어 있으므로 변화하지 않는다. 그런데 어떤 원자핵들은 깨지면서 강한 에너지 입자를 내놓는데 ..

youtu.be/QsPjMUUoBH8 유인원에서 갈라진 인류의 선조는 몇 백 만년 동안 수렵활동을 통해 얻은 동식물을 요리하지 않은 채 먹었다. 그런데 근래의 연구에 의하면 대체로 100만 년 전부터 인간이 불 을 사용하게 되었다. 인간이 불을 사용할 수 있게 되자 그 전에 먹을 수 없었던 것을 익혀 먹을 수 있게 되었고 밤에는 어둠을 밝혀주었으며 추운 날엔 몸을 덥혀 주었다. 이를 에너지 차원으로 말한다면 당시 불을 피우는 데 사용된 나무야말로 인간 역사상 최초의 에너지원이라 볼 수 있다. 불 에너지 다음으로 인류가 손에 넣은 에너지는 ‘가축 에너지’이다. 약 1만 년 전, 농경 시대로 들어서자 사람들은 소, 말 등의 가축을 이용하여 무거운 물건을 운반하거나 논밭을 경작했다. 이때부터 인간은 조금씩 문..

youtu.be/Wt-McbrgqvI 러더퍼드는 실험을 통해 원자의 질량은 원자 전체에 고르게 퍼져 있는 것이 아니라 원자 중심의 매우 작은 부피 속에 질량의 대부분이 집중되어 있다는 것을 발견했다. 바로 원자핵이다. 러더퍼드의 원자핵 발견 당시에 전자의 전하량은 이미 밝혀져 있었고 양성자는 전자와 같은 양(量)의 전하를 가지고 있으나 전자와는 달리 플러스 전하를 디고 있다는 것도 알려져 있었다. 그리고 여러 가지 실험을 통해 원자핵은 양성자의 전하(e)의 원자 번호를 곱한 값(Ze)에 해당되는 양의 전하를 가지고 있다는 것이 밝혀졌다. 또한 핵의 질량은 양성자 질량에 원자량을 합한 값에 해당한다는 것도 알려졌다. 예를 들면 원자변호가 8이고 원자량이 16인 산소핵의 전하량은 양성자 전하량의 8배이고 질..

youtu.be/Y-ic-sKlHns 러더퍼드가 제시한 원자모형의 문제점을 해결하는 방안으로 보어(Niels Hendrik David Bohr)가 양자론의 입장을 적용한 새로운 원자모형을 제안했다. 그는 원자에서 나오는 전자기파의 에너지가 연속적으로 방사되는 것이 아니라 불연속적인 양으로 방출되어 선스펙트럼을 이루는 데 착안했다. 보어는 원자에는 어떤 안정된 궤도가 존재해서 전자가 이 궤도에서는 에너지를 잃지 않고 운동할 수 있으며, 한 궤도에서 다른 궤도로 뛰어 옮길 때만 전자기파를 방출해 에너지를 잃게 된다고 가정했다. 이것은 물리량이 양자화되어 있다는 양자론에 근거한 것이다. 보어는 에너지가 연속된 양이 아니라 최소 단위의 정수배로만 존재하면서 주고받을 수 있다면, 원자내의 전자가 가질 수 있는 에..

youtu.be/U2fo7gsEtU8 원자의 성질에 관한 이론이 어느 정도 정립되자 학자들은 미소세계에 대해 더욱 궁금해 하기 시작했다. 그것은 원자가 어떻게 생겼는지를 알아내는 일이었다. 1903년 일본의 도쿄대학교에서 나가오카 한타로 나카오카(長岡半太郞, 1865～1950)는 토성 원자모형을 발표했다. 하지만 양전하가 중앙에 있고 그 주위를 전자들이 고리 모양으로 돌고 있는 토성 원자모형은 역학적 불안정성 때문에 발표되자마자 심한 비판에 부딪혀 폐기되었다. 전하를 가진 전자가 원자 내에서 궤도 운동을 한다면 전파를 발생하게 마련이며 결국 순식간에 에너지를 잃고 핵으로 떨어지고 만다는 설명이다. J. J. 톰슨은 그가 발견한 전자와 수소이온을 바탕으로 1904년에 원자의 모형을 제시했다. 이 당시 이미..

youtu.be/Z2oXjo_aWgY 자연계에 존재하는 원소들의 양은 천양지차이다. 미국의 지질학자 클라크는 지구의 지각에 존재하는 원소들의 양을 비교했다. 클라크가 말하는 지각은 지구의 표층과 대기를 포함하는 것으로 지구 전체 질량의 0.7퍼센트에 해당하는 부분이다. 그의 분석에 의하면 지각에 존재하는 원소의 양 중에서 가장 많은 것은 산소로 약 49.3%이다. 그 다음으로 규소 25.8%, 알루미늄 7.56%, 철 4.7%, 칼슘이 3.39%이다. 따라서 나트륨, 칼륨, 마그네슘을 포함하여 지각에 가장 풍부하게 존재하는 원소 8가지가 차지하는 비율은 97.91%이며 가장 풍부한 11개 원소가 차지하는 비율은 99.43%이다. 물론 이들 숫자는 계속된 연구로 각 원소의 존재비가 다소 수정되고 있음을 첨..

youtu.be/RmZmhukicUM 멘델레예프는 자신의 책을 출판하기 위해 다양한 자료를 모아 연구하는 동안 화학 원소의 성질들 사이에 비슷한 양상이 있음을 알았다. 그는 여러 가지 다른 화학 원소 사이의 관계를 조사⋅연구하였는데 이런 연구는 멘델레예프 이전에 실시되었던 연구였다. 1815년 영국의 윌리엄 푸르트는 모든 원소는 무게로 따져 수소의 정수 배가 된다는 것을 발표했으나 곧 잘못된 생각이라는 것이 밝혀졌고 1864년 영국의 존 뉴런즈는 원소를 순서대로 배열하면 8째에 성질이 비슷한 것이 나타난다는 옥타브설을 발표했지만 학자들로부터 인정받지 못하고 있었다. 멘델레에프는 당시까지 알려져 있는 원소 63개에 대한 정보를 바탕으로 다른 학자들이 찾아내지 못한 원소 사이의 상관관계를 분석하기 시작했다...

youtu.be/HRHfZ-HK9h0 인간이 원소라는 개념을 창안한 이후 현재까지 알려진 원소를 발견하기까지의 과정과 그 결과를 나열한다는 것은 간단한 일이 아니다. 인류의 오랜 경험이 쌓이고 쌓이면서 구리, 금, 은들을 찾아 낸 이후 이들 외의 수많은 자원들의 생산과 기술이 발전함에 따라 화학은 원자론의 기초 위에 올라서게 되고 보다 정밀한 근대과학으로 발전한다. 이는 과학자들로 하여금 세상에 있는 거의 모든 물체를 분석하도록 유도하여 1815년에 41종의 원소가 알려졌고 1818년 49종, 1850년 59종, 1869년에는 63종이 알려졌다. 특히 화학자들은 원자론의 입장에서 물질의 구조를 해명하기 시작했고 유기화학의 등장으로 더욱 세분된 과학 분야의 하나 독자적인 과학으로 화학이 등장한다. 학자들의..

youtu.be/Zphljjow-wE 1천여 년을 걸려 금을 만들려고 했던 노력이 모두 헛된 것은 아니다. 금을 만들지는 못했지만 연금술 과정에서 여러 가지 발견이 이루어졌기 때문이다. 또한 만물이 더 이상 쪼개지지 않는 원자라는 알갱이로 이루어져 있다는 생각도 도출했다. 이것이야말로 바로 현대과학이 발전되기 시작한 또 하나의 계기라 볼 수 있다. 물론 만물이 원자로 되어 있다는 것은 그리스 시대부터 있었다. 그러나 그리스의 데모크리토스가 내세운 원자론은 철학적이면서도 모호했고 에피쿠로스가 다시 거론했지만 소수인들의 관점에서 벗어나지 못했다. 아리스토텔레스는 그리스 원자론이 ‘허공’ 개념과 연관되었다는 이유로 철저히 부정되었다. 여하튼 그리스 과학은 서로 다른 다양한 현상들을 연관 짓는 원리나 법칙을 갖..

youtu.be/XQuXCrdWdik 현대 과학을 그리스로부터 태어났다는데 이의를 제기하는 사람은 거의 없다. 이것은 과학이 헬레나 시대부터 태어났다는 것을 의미하는데 헬레나 과학은 다른 고대 문명에서는 전혀 볼 수 없는 특징을 가지고 있다. 가장 두드러진 특징은 과학적 이론 즉 ‘자연철학’의 발명이다. 우주에 관한 초기 그리스인들의 생각과 헬레나 시대의 다소 비실용적이라고도 보일 수 있는 추상적인 지식 탐구에서 그리스인들의 과학의 정의에 근본적으로 새로운 요소를 추가했다. 사실상 자연철학이라는 개념이야말로 인류가 현재 누리고 있는 과학시대 즉 과학의 진로를 바꾸어놓은 계기라 볼 수 있다. 기원전 640년경 밀레투스에서 탈레스(Thales, 기원전 640?～546?)라는 남자아이가 태어났다. 과학사가들은..

youtu.be/vWxAUPiiMM8 퀴리 부부와 베크렐의 발견에 의해 세상에 태어난 방사능에 따른 제반 정황 및 추후의 파급 효과에 대해서는 ‘방사능 발견 100주년’인 1998년 9월 30일 자크 시락 프랑스 대통령의 연설문으로 잘 표현되어 있다. 다소 내용이 길지만 과학자의 길을 비롯하여 방사능에 따르는 수많은 문제점과 해결책을 도모하는데 좋은 자료가 되므로 이를 전재한다. ‘한 나라의 과학계가 중요시하는 기념일을 보면 그 학계가 표방하는 이미지를 잘 알 수 있다고 저는 생각합니다. 새롭게 발견하고 현상을 이해하는 어려운 학문의 길을 걸을 때 필요한 대범함과 끈기를 가진 과학자의 이미지, 또 일반적인 생각과 달리, 끊임없이 새로운 것을 발견하며 자꾸만 제기되는 새로운 문제에 답을 찾아가는, 참신하고..