세상 모든 물질을 쪼개고 쪼개면 무엇이 남을까?

4원소설을 주장했던 고대 그리스의 자연철학자 엠페도클라스 @Public Domain (Wikimedia)

먼 옛날 그리스 사람들은 이 세상 모든 물질은 물, 불, 흙, 공기의 4원소로 이루어졌다고 믿고 있었습니다. 그 믿음은 하도 끈질겨서 17세기가 되어서도 대부분의 사람들을 지배하고 있었지요. 그러나 사물을 연구하던 과학자들은 물, 불, 흙, 공기가 궁극의 원소가 아니라 여러 성분이 섞인 혼합물이거나 분자라는 것을 알게 되었지요. 그 과정에서 과학자들은 정말 더 이상 쪼개지지 않는 원소들이 어떤 것인지 찾기 시작했습니다. 

“나름의 기준을 세워 분류를 시도하다”

보일이 기체를 연구하는데 사용했던 공기 펌프 @Public Domain (Wikimedia)

보일은 고대 그리스의 데모크리토스가 주장했던 원자론을 근대에 다시 되살린 사람이자 기체의 압력과 부피 사이의 관계를 연구한 과학자입니다. 보일의 뒤를 이어 영국의 스코틀랜드에서는 기체를 연구하는 일군의 과학자들이 나타납니다. 이들은 공기가 하나의 원소가 아니라 다양한 종류의 기체가 섞인 혼합물임을 밝혀내지요. 그리고 그 기체들의 성격이나 특징들을 통해 서로를 구분합니다. 이 과정에서 눈에 보이지 않는 기체들이 아주 작아 더 이상 나뉘지 않는 입자로 이루어졌다는 생각을 발전시킵니다. 

화학 연구 중인 라부아지에와 그의 아내 @Public Domain (Wikimedia)

라부아지에는 스코틀랜드 기체 화학자들의 성과를 이어받는 한편 독자적인 실험을 통해 산소를 발견합니다. 그리고 처음으로 33가지 기본 원소를 발표하지요. 그는 원소를 ‘실험적으로 더 이상 분해할 수 없는 물질’로 규정하고 자신이 실험을 통해 파악한 기본 물질들을 발표한 것이지요. 그는 원소들을 네 가지 그룹으로 나눕니다. 첫 번째 그룹은 동물이나 식물 광물에 포함된 원소로 산소, 질소, 수소, 빛, 열이 포함됩니다. 두 번째는 산(acid)을 만드는 원소로 황, 인, 탄소, 염소, 플루오린이죠. 세 번째는 염기를 만드는 원소로 은, 코발트, 구리, 납, 수은 니켈입니다. 마지막은 염을 만드는 원소로 생석회, 산화바륨, 알루미나, 마그네시아, 실리카입니다. 

물론 생석회나 알루미나 같은 경우는 원소가 아니라 화합물이지만 당시 실험 수준으론 분리할 수가 없어 원소로 규정되었습니다. 빛과 열에 대해서도 당시에는 그 정체를 확실히 알지 못하는 데다 분리할 마땅한 방법이 없으니 원소로 분리된 것입니다. 그래도 라부아지에가 본격적으로 원소를 나름의 기준을 가지고 최초로 분류한 것은 큰 의미가 있습니다. 

“원소를 어떻게 표기할까”

화학이 본격적으로 발달하면서 원소들을 특정한 기호로 표기하려는 움직임이 생겼습니다. 이전에는 연금술사들이 쓰던 기호가 주로 쓰였지요. 하지만 연금술이 아닌 본격적인 학문으로서의 화학을 발전시키던 과학자들은 좀 더 정확한 기호를 쓰기 원했습니다. 라부아지에는 기하학적 모형으로, 돌턴은 원 안에 문자나 그림을 넣어 표현했지요. 하지만 이 기호들은 인쇄하려면 새로운 활자를 만들어야 하는 등 번거로움이 있었습니다. 그러다 스웨덴의 화학자 베르셀리우스가 원소의 영어나 라틴어 이름의 알파벳 첫 글자를 대문자로 나타내고, 첫 글자가 같은 다른 원소가 있을 때는 뒤의 글자 중 하나를 소문자로 대문자 뒤에 이어 나타낸다는 표현법을 고안했고 이후 이 방법이 표준이 되어 우리가 쓰는 원소기호가 되었습니다. 

현대적 원소기호 표기법을 만든 베르셀리우스 @Public Domain (Wikimedia)

19세기 실험방법이 더 정교해지면서 여러 가지 새로운 원소들이 발견됩니다. 그 과정에서 서로 비슷한 성질을 가지는 원소의 무리들이 분류되기 시작합니다. 또한 원자들의 질량도 측정할 수 있게 되었지요. 이렇게 원소들의 성질과 질량을 가지고 이들 사이에 어떤 연관관계가 있을 거라고 당시 과학자들은 생각합니다. 영국의 뉴랜즈는 원소들을 원자량의 순서대로 배열하면 여덟 번째 원소마다 비슷한 물리적, 화학적 성질을 가지게 된다는 걸 발견하지요. 그는 이를 음악의 옥타브와 비슷하다 여겨서 ‘옥타브 법칙’이라 명명해서 발표합니다. 하지만 아직 완전한 분류는 아니었지요. 

러시아의 화학자 멘델레예프는 당시 알려진 63종의 원소들을 원자량이 증가하는 순서대로 배열하면 비슷한 성질을 가지는 원소들이 주기적으로 나타나는 것을 발표합니다. 그는 이 발견을 토대로 하여 가로로는 주기로, 세로로는 족으로 분류한 주기율표를 발표합니다. 하지만 이렇게 만들어진 주기율표에는 한계가 있었습니다. 테이블의 모든 곳에 원소가 다 채워지지 않는 거지요. 멘델레예프는 이를 아직 발견하지 못한 원소라 생각하고, 미발견된 원소들의 원자량과 성질들을 예견하기까지 합니다. 

주기율표 @Public Domain (Wikimedia)

“예측이 사실로 확인되는 순간”

분광기를 시연해 보이는 프라운호퍼 @Public Domain (Wikimedia)

프리즘을 이용하면 빛을 여러 색깔로 나눌 수가 있습니다. 이를 스펙트럼이라고 하지요. 그리고 여러 물질이 탈 때 내놓는 빛의 스펙트럼을 분석해서 해당 물질이 무엇인지 확인할 수 있는데, 이를 분광학이라고 합니다. 19세기 분광학이 발달하면서 과학자들은 기존에 알지 못했던 새로운 원소들을 발견합니다. 원자번호 49번인 인듐과 18번인 아르곤도 이런 방법으로 발견합니다. 그리고 당시 지구에서는 발견하지 못했던 원자번호 2번의 헬륨도 태양 빛을 분광학으로 조사하면서 발견하게 되었지요. 그러면서 멘델레예프가 주기율표의 빈자리로 놓아두었던 원소들을 채워나가기 시작합니다. 멘델레프의 예측이 정확하게 맞아떨어진 건 당연합니다. 

우라늄은 로마시대 때부터 천연 산화물의 형태로 사용되어왔지만 순수한 우라늄을 정제한 것은 18세기였습니다. 독일의 화학자 클라프로트가 발견하고는 그보다 8년 전에 발견된 행성인 천왕성(Uranus)의 이름을 따서 우라늄이라 명명했지요. 1986년에 우라늄의 방사성이 처음 발견되고 뒤이어 마리 퀴리는 우라늄에서 방사능을 띠는 라듐을 분리 추출해냅니다. 이 즈음이 되자 이제 멘델레예프의 주기율표는 거의 다 채워지게 되었습니다. 

연구 중인 마리 퀴리와 피에르 퀴리 @Public Domain (Wikimedia)

“원소는 궁극의 입자가 아니었다”

그러나 과학자들의 연구는 계속됩니다. 92개에 이르는 많은 원소가 궁극의 입자라고는 전혀 생각되지 않았던 것이지요. 더구나 비슷한 성질을 가지는 원소들이 반복해서 일정한 주기를 가지고 나타난다는 것은 이들 원소 사이에 어떤 관련성이 있다는 심증을 굳히게 했습니다. 때마침 물리학의 발전과 특히 방사성 원소의 발견은 이들 원자 내부를 들여다볼 방법을 알려주었습니다. 20세기 초 드디어 원자는 전자와 원자핵이라는 내부 구조를 가진 물질임이 드러났고, 궁극의 입자라는 위치에서 내려오게 되었습니다. 

원자핵과 전자로 이루어진 원자의 구조를 보여주는 모형

“인간이 창조하는 새로운 원소”

과학의 발전은 자연에서 발견하지 못하던 새로운 원소를 인간이 창조할 수 있게 해주었습니다. 그리고 그 배경에는 입자가속기의 개발이 있습니다. 전자나 양성자 등을 아주 빠른 속도로 원자에 쏠 수 있게 해주는 입자가속기의 등장은 원자의 세계를 뒤흔들어 놓았습니다. 

원자의 종류를 결정하는 것은 궁극적으로는 원자핵에 양성자가 몇 개 있느냐입니다. 수소는 원자핵에 양성자가 하나 있는 원소이고, 산소는 원자핵에 양성자가 8개 있는 원소입니다. 자연에서 발견할 수 있는 가장 무거운 원소인 우라늄은 원자핵에 양성자가 92개 있습니다. 여기에 입자가속기를 이용하여 인위적으로 양성자의 개수를 늘리면 새로운 원소가 탄생하는 것입니다. 

플루토늄 등의 원소를 탄생시킨 입자가속기의 모습 @Public Domain (Wikimedia)

현재 주기율표상 가장 마지막 원소인 오가네손의 이름은 러시아 핵 물리학자 유리 오가네시안의 이름을 따서 지어졌다. @Public Domain (Wikimedia)

물론 이렇게 새로 탄생한 원자들의 대부분은 대단히 불안정하여 아주 짧은 시간만 존재합니다. 결국, 핵분열을 통해 기존에 우리에게 익숙한 원자가 되지요. 그러나 비교적 안정적인 플루토늄 같은 원소들은 꽤 오랜 시간 동안 원자의 형태를 유지하기도 합니다. 

이제 우리는 118번 원소까지의 리스트를 가지고 있습니다. 즉 93번부터 118번까지 26가지의 지구상에 존재하지 않는 원소들을 발견한 것이지요. 물론 인간이 최초의 창조자는 아닙니다. 지구상에는 존재하지 않지만 별의 폭발과정에서 이미 만들어졌다 사라진 과거가 있습니다. 과학자들은 여기서 만족하지 않습니다. 118번 너머의 새로운 원소를 창조할 꿈을 꾸며 아직도 연구에 매진하고 있지요.