신약을 개발하거나 산업 공정을 최적화하기 위해 필요한 양자화학,
양자화학의 창시자 라이너스 폴링의 논문 속으로!

양자화학은 양자역학의 원리를 화학의 여러 문제에 적용하여 원자와 전자의 움직임부터 분자구조와 화학반응 등을 이론적으로 설명하는 학문 분야이다. 이 분야는 물리학과 화학의 교차점에 위치하여 원자와 분자의 특성과 상호작용을 연구한다.

양자화학은 화학 현상을 이해하는 데 매우 중요한 역할을 한다. 양자화학은 분자구조 예측, 화합물의 안정성 평가, 반응 속도 예측 등 다양하게 이용될 수 있다. 양자화학으로 분자구조를 정확히 예측하면 새로운 화합물의 특성을 이해하고 설계할 수 있다. 예를 들어, 새로운 약물을 개발하거나 산업 공정을 최적화하기 위해서는 해당 화합물의 구조를 정확히 파악해야 하고, 화학반응의 메커니즘을 이해하거나 화학적으로 안정한 물질을 찾기 위해서도 양자화학이 필요하다.

이러한 양자화학의 세계를 개척한 과학자는 바로 라이너스 폴링이다. 폴링은 1931년에 화학결합을 양자역학의 원리를 이용해 설명하는 첫 논문을 발표했다. 그는 전자가 양자역학의 슈뢰딩거 방정식을 만족하는 파동함수로 묘사된다고 생각했다. 1931년 논문에서 슈뢰딩거 방정식을 이용해 여러 가지 화합물들의 화학결합 구조에 대해 완벽하게 설명할 수 있었다. 특히 탄소 원자 하나와 수소 원자 4개로 이루어진 메테인 분자의 구조를 양자역학으로 설명했다. 이외에도 다양한 분자들에 대해 원자들이 어떻게 결합되는지를 설명했다.

이 논문이 발표된 이후 양자화학이라는 화학의 새로운 분야가 탄생했다. 그리고 이때부터 화학과 학생들도 학부 과정에서 양자역학을 배우게 되었다. 양자화학의 탄생으로 화학자들도 양자의 세계에 발을 들여놓게 된 것이다. 폴링은 양자화학을 창시한 공로를 인정받아 1954년 노벨화학상을 수상했는데, 노벨화학상뿐만 아니라 노벨평화상도 수상했다. 그는 핵무기 실험의 종식뿐만 아니라 전쟁 자체의 종식을 촉구하면서 세계 평화 연구 기구를 설립하자고 제안하며, 그와 뜻을 같이하는 사람들을 모아 적극적으로 활동했다. 이 업적으로 1963년 노벨평화상을 수상했다. 그는 과학의 발전뿐만 아니라 인류의 평화까지 바랐던 인간적인 너무나 인간적인 과학자였다.

고전역학으로는 설명할 수 없는 양자의 운동을 연구하는 양자역학,
슈뢰딩거, 하이젠베르크 등 양자역학을 발전시킨 과학자들

양자화학을 이해하려면 우선 양자역학에 대해 알아야 한다. 양자역학은 양자(더 이상 나눌 수 없는 에너지의 최소량의 단위)의 운동을 연구하는 물리학의 분야이다. 하지만 고전역학으로는 양자의 운동에 대해 설명할 수 없기 때문에 새로운 역학 체계가 필요하게 되었다. 1900년부터 1930년까지 물리학자들은 양자의 개념을 탄생시켜 양자역학이라는 새로운 물리학을 만들었다. 그리하여 양자역학이 탄생하게 된 것이다.

양자의 개념은 플랑크가 1900년에 처음 제안했다. 고전역학에서 입자의 운동에 대해 설명한 것은 뉴턴 역학이다. 뉴턴 역학에 의하면 물체의 처음 위치와 처음 속도를 알면 임의의 시각에서 물체의 위치와 속도를 알 수 있다. 하지만 양자의 경우에는 물체의 위치와 운동량(질량과 속도의 곱)을 동시에 정확하게 측정할 수 없었다. 물체의 위치를 정확하게 측정하려고 하면 물체의 운동량 측정은 더 부정확해지고, 물체의 운동량을 정확하게 측정하려고 하면 물체의 위치는 더 부정확해지기 때문이다. 즉 물체의 위치에 대한 오차와 물체의 운동량에 대한 오차가 서로 반비례하게 된다. 이것을 불확정성 원리라고 하는데, 1925년 하이젠베르크가 처음 주장했다. 양자역학은 플랑크가 양자의 개념을 제안한 이후 슈뢰딩거의 방정식, 하이젠베르크의 불확정성 원리 등으로 발전되었다.

폴링은 양자역학을 화학에 도입해 양자화학이라는 새로운 분야를 개척했다. 양자역학은 양자화학뿐 아니라 새로운 연구 분야를 무궁무진하게 만들 수 있다. 양자역학을 이용해 우리는 우주의 기본 구조와 그 작동 방식을 더욱 깊이 이해할 수 있을 것이며, 이는 인류의 미래를 밝히는 데 기여할 것이다.

서로 다른 물질이 결합해 새로운 물질을 만드는 화학결합,
루이스의 화학결합이론 논문 속으로!

양자화학은 일반인들이 이해하기 쉽지 않은 분야인데, 이 책은 이에 대해 쉽게 이해하도록 우선 화학반응의 역사와 유기화학의 역사를 소개했다. 그 다음으로 화학결합이론에 대해 소개했다. 화학결합은 서로 다른 물질이 결합해 새로운 물질을 만드는 것인데, 이에 대해 처음 아이디어를 낸 사람은 바로 뉴턴이다. 1704년, 뉴턴은 자신의 저서 《광학(Opticks)》에서 서로 다른 원소들이 결합해 새로운 물질을 만드는 과정을 묘사했다. 이후 1718년 지오프로이는 여러 원소들이 얼마나 결합하고 싶어 하는지를 나타내는 화학친화력 표를 만들었다.

이 책은 양자역학을 전혀 이용하지 않고 화학결합을 설명한 1916년 루이스의 논문도 소개했다. 이 논문은 주로 우리가 고등학교 화학시간에 배우는 공유결합에 대해 설명한다. 전자가 발견되고 전자가 원자핵 주위를 돈다는 내용이 알려지면서, 루이스는 핵 주위를 도는 전자들 중에서 가장 바깥쪽에 있는 전자들에 관심을 가졌다. 이 전자들을 가전자라고 하는데, 이 전자들은 공유결합에서 매우 중요한 역할을 한다. 루이스는 가전자의 공유를 이용해 산소 원자 두 개가 산소 분자를 만드는 결합에 대해 잘 설명했다. 루이스의 이론은 훗날 폴링이 양자화학을 개척하는 데 큰 도움이 되었다.

전공서보다는 가볍게, 교양서보다는 묵직하게
겉핥기가 아닌 깊이 있는 과학책을 찾는다면!

이공계로 진학할 예정인가? 물리학 또는 화학에 관심이 많다고? 과학사 외에도 이론을 심도 있게 설명하는 책을 찾고 있나? 여기 〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈가 있다.
말 그대로 노벨상 수상자들이 쓴 오리지널 논문을 통해 과학 이론을 배우는 책이다. 교과서나 다른 매체로 가볍게 접한 유명 이론을 과학자가 논문에서 어떻게 풀어냈는지 큰 줄기를 중심으로 차근차근 설명해 간다. 정교수와 물리군 또는 화학군의 일대일 대화를 통해서 말이다. 그 배경을 이루는 과학사는 덤이다. 이론을 완성하는 밑바탕이 된 다른 이론들도 함께 설명한다.

줄글만으로 설명하지는 않았다. 과학의 언어는 수학이라고 한다. 즉, 수학을 빼고는 과학 이론의 핵심을 제대로 파악하기 어렵다. 너무 걱정하지는 말자. 고등학교 수준의 수학 지식만 있으면 이해하도록 친절하게 설명했으니까. 그리고 수식은 건너뛰면서 보아도 이론을 받아들이기는 어렵지 않다. 어렴풋이 이해하는 것만으로도 왠지 내 거가 된 느낌이다. 다 읽고 난 다음 차근차근 돌아보아도 좋다. 책은 어디로 사라지지 않으니까!

논문의 느낌을 직접 체험할 수 있도록 책의 뒤편에 부록으로 실었다. 과학자들의 논문은 영어뿐 아니라 독일어, 프랑스어 등 여타 언어로 쓰였기 때문에 우리가 그나마 쉽게 읽을 수 있는 영문본을 수록했다.
특별히 이 시리즈는 20권으로 기획했다. 주된 분야는 물리학이다. 물리학자 아인슈타인, 마리 퀴리, 플랑크, 보어, 하이젠베르크 등의 대표 이론들을 한 책에 하나씩 다룬다. 보통 이렇게 분야를 세세하게 나누어 한 권에 한 주제씩 시리즈로 묶은 책은 아동을 대상으로 한 도서가 많다. 그래서 이 시리즈의 기획이 좀 독보적이다.
여기서 저자의 진가가 발휘된다. 국제 학술지에 300여 편의 논문을 게재한 연구자로, 수백 권의 교양서를 쓴 저자로, 대학에서 물리학을 가르치는 교수로, 활발히 활동하는 저자의 전문 지식을 바탕으로 신선한 기획이 또 다른 새로움을 낳았다.

이론을 제대로 알고 싶은데 전공 서적을 보자니 너무 어려울 것 같고, 일반 교양서를 읽자니 수준이 너무 얕게 느껴진다면 이 시리즈를 펼쳐 보는 건 어떨까? 과학의 세계로 한 걸음 더 깊이 들어가 보자!