일곱 원소 이야기 - 주기율표의 마지막 빈칸을 둘러싼 인간의 과학사 -

“이 책 또한 고전이 되리라.”
─ 올리버 색스

★ 《초이스》 선정 최고의 학술서 『주기율표』의 저자 에릭 셰리의 역작!
★ 《뉴사이언티스트》 선정 올해의 과학책!

주기율표의 권위자 에릭 셰리가 들려주는 특별한 일곱 원소 이야기
- 프로트악티늄, 하프늄, 레늄, 테크네튬, 프랑슘, 아스타틴, 프로메튬 -

“전혀 유명하지 않은 이 희한한 일곱 원소들에게 이토록 많은 사연이 숨어 있다는 것, 이토록 많은 인물과 흥미롭고 특이한 사실이 숨어 있다는 것을 누가 알았겠는가? 화학에 호기심을 느끼는 사람이라면 누구나 이 여행을 해보기를 진심으로 추천한다!” - 필립 볼, 『화학의 시대』의 저자

 새로운 원소를 발견한다는 것은 무슨 뜻일까?
그런 발견이 종종 논란에 휘말린 이유는 무엇이었을까?
과연 주기율표에는 어떤 정보들이 숨어 있을까?

원소 주기율표는 현대 화학의 토대이자 상징이다. 현대 생물학에 DNA 이중나선이 있고 현대 물리학에 원자 구조 모형이 있다면, 화학에는 주기율표가 있다. 주기율표는 1869년 멘델레예프가 당시로서 최선의 형태를 고안하여 과학계의 인정을 받아낸 이래 150년 동안 화학의 굳건한 토대로 기능했다. 그사이 우리의 지식이 원자의 실체조차 확신하지 못하던 수준에서 인위적으로 원자를 쪼개고 합하는 수준까지 팽창했음에도, 주기율표는 결코 기각되지 않고 오히려 범위를 넓혀가며 그 모든 지식을 담아내는 틀이 되었다. 어찌 보면, 지금까지 확인된 118개 원소가 표시된 주기율표를 이해하는 것만으로도 우리는 현대 물리학과 화학의 많은 것을 알 수 있다. 주기율표에서 길어낼 수 있는 정보는 그만큼 무궁무진한 것이다. 그렇다면 주기율표에는 어떤 정보들이 숨어 있을까? 과연 우리는 주기율표에 대해 정말 제대로 알고 있을까? 새로운 원소를 발견한다는 것은 어떤 의미이고, 또 그런 발견이 종종 논란에 휘말린 이유는 무엇이었을까? 원소들은 어디에 숨어 있었을까? 과학자들은 어떤 길잡이에 의지하여 원소들을 수색했을까? 그리고 누가 결국 그 원소들을 찾아냈을까? 바로 이것이 에릭 셰리가 이 책 『일곱 원소 이야기(원제: A Tale of Seven Elements)』에서 묻고 답하는 핵심 이야기들이다.

에릭 셰리는 주기율표에 관한 한 현존하는 가장 권위 있는 연구자이다. UCLA 화학과에서 화학사를 가르치는 셰리는 과학철학 중에서도 화학에 초점을 맞춘 학술지를 만들고 이끈 학자이고, 그의 주된 관심사가 주기율표다. 그는 많은 논문 외에도 2007년에는 『주기율표 이야기』라는 책을 썼고, 2011년에는 옥스퍼드 대학 출판부의 ‘아주 짧은 입문서(Very Short Introduction)’ 시리즈 중 한 권인 『주기율표』를 썼다. 이 두 권의 책 모두 잡지 《초이스》에서 선정하는 그해 최고의 학술서적으로 뽑혔다. 그리고 화학 연구의 초상을 흥미진진하게 그려낸 『일곱 원소 이야기』는 《뉴사이언티스트》가 선정한 2013년 최고의 과학책 12권에 선정되었다. 이 책에서 셰리는 교과서에 오랫동안 실려온 여러 잘못된 정보, 역사적으로나 과학적으로 틀린 내용을 바로잡는다. 그리고 약 30년의 기간에 걸쳐 여러 연구자들이 상호 작용하며 짜냈던 복잡한 연구의 그물망을 철저한 조사를 통해 새롭게 보여주고 있다.

주기율표의 탄생부터 개념과 기본 원리,
원소의 발견을 둘러싸고 벌어지는 우선권 분쟁과 국가주의적 다툼,
수업 시간에는 결코 배울 수 없는 과학적 발견 이면의
 희극적이고 비극적인 일화들까지,
더한층 넓고 깊은 화학의 세계로 독자들을 안내하는 책!

1913년 영국 물리학자 헨리 모즐리는 주기율표의 수소(원자번호 1)부터 우라늄(원자번호 92)까지 원소들을 원자번호를 기준으로 ‘헤아리는’ 깔끔한 기법을 완성했다. 그러나 곧 사람들은 그 목록에서 수수께끼 같은 일곱 원소가 빠졌다는 사실을 확실히 알게 되었다. 과학이 아직 모르는 일곱 원소가 있었던 것이다. 꼼꼼한 연구와 유려한 내러티브가 결합한 이 책 『일곱 원소 이야기』에서 에릭 셰리는 프로트악티늄(Pa), 하프늄 (Hf), 레늄(Re), 테크네튬(Tc), 프랑슘(Fr), 아스타틴(At), 프로메튬(Pm)이라는 일곱 원소의 흥미진진한 이야기를 들려준다. [저자는 이 원소들을 우라늄 너머의 원소들, 즉 초(超)우라늄 원소들에 대비되는 개념으로서 ‘하(下)우라늄 원소들’이라고 부르자고 제안한다.]

저자는 각 원소마다 발견에 앞섰던 연구들, 결정적인 실험들, 관여한 화학자들의 성격, 새로운 원소의 화학적 속성, 과학기술 분야에서 드러난 응용성을 추적하는 것은 물론이고, 만만찮은 장애물을 극복했던 연구자들의 개인적 사연까지 상세하게 들려준다. 화학원소들과 주기율표 이야기에 생명력을 부여하고 싶은 사람이라면, 나아가 과학의 역사와 문화에 흥미가 있다면 누구나 꼭 읽어야 할 책이다. 틀림없이 재미있게 읽고 많은 것을 배울 것이다.

주기율표의 마지막 빈칸을 둘러싼 인간의 과학사!
잘못된 판단, 놓친 기회, 사나운 우선권 분쟁, 우연한 관찰, 비난……
이 모두가 결국 짜릿한 발견으로 이어진다.
“꼼꼼한 조사를 토대로 유려하게 쓰인 이 책은 진정 정보의 금광이다!”

본문은 총 10장으로 구성되어 있다. 저자는 일곱 원소 이야기를 본격적으로 시작하기 전에, 1장 〈돌턴에서 주기율의 발견까지〉에서는 일곱 원소들을 모두 담아내고 이어주는 틀, 곧 주기율표가 어떻게 발견되었는가 하는 이야기부터 주기율표의 기본 원리와 핵심 개념을 들려준다. 또한 그전에 세계 각지에 흩어진 여섯 명 이상의 과학자들이 주기율표를 구축하기까지 어떤 연구가 선행되어야 했는지도 알려준다. 오늘날 주기율표의 발견자로 첫손가락에 꼽히는 사람은 러시아 화학자 멘델레예프이지만 사실 그는 여섯 발견자 중 마지막 사람이었다. 이어지는 2장 〈주기율표를 침략한 물리학〉에서는 물리학에서 이뤄진 발견들이 주기율을 해명하는 데 어떤 도움을 주었는지 등에 대한 물리학과 화학의 관계를 이야기한다. 원자번호의 중요성을 확인했던 모즐리의 연구도 여기 포함된다.

그리고 이어지는 3~9장은 이 책의 주인공 일곱 원소들이 발견된 역사적 순서를 따라 펼쳐진다[프로트악티늄(Pa), 하프늄 (Hf), 레늄(Re), 테크네튬(Tc), 프랑슘(Fr), 아스타틴(At), 프로메튬(Pm)]. 이는 프로트악티늄이 분리된 1917년부터 프로메튬이 분리된 1945년까지 대충 두 차례 세계대전을 아우르는 기간이다. 당시의 전황이 일곱 원소 중 몇 가지를 분리하려는 노력에 직접적으로 영향을 미친 경우도 있었다. 가령 맨 처음 분리된 프로트악티늄(3장. 〈91번 원소 ? 프로트악티늄〉)이 그랬다. 발견자인 리제 마이트너는 1916년 기본 중의 기본인 실험 장비를 구입하는 것조차 어렵다고 한탄하며 이렇게 썼다.

“친애하는 한! 역청 실험은 물론 중요하고 흥미롭습니다. 하지만 내가 당장 착수하지 못한다고 해서 화내진 마세요. …… 악티늄 실험에 쓸 백금 용기들을 주문했으니 며칠 안에는 받을 테고, 받자마자 시작할 겁니다. …… 역청 실험이 지연된다는 데 화내지 마세요. 정말로 의지가 부족해서 그런 게 아니라 시간이 부족해서 그런 거니까요. 나 혼자서는 우리 셋이 함께 실험하던 때처럼 많은 일을 해낼 수 없습니다. 어제는 고무관 3미터를 무려 22마르크나 주고 샀지 뭡니까! 청구서를 보고 꽤나 충격을 받았죠.”

제2차 세계대전 때는 역시 마이트너와 동료들이 발견한 핵분열 원리가 금세 핵무기 개발 프로그램으로 이어져 결국 전쟁을 종식시켰다. 핵 연구는 입자가속기 개발로도 이어졌으며, 바로 그 입자가속기는 남은 일곱 원소 중 몇 가지를 처음 발견하는 데 쓰였다. 가령 제2차 세계대전이 끝나가던 무렵인 1945년 발견된 프로메튬(9장. 〈61번 원소 ? 프로메튬〉)이 그랬다.

저자는 특히 20세기 시작부터 현재까지 몇몇 원소의 발견을 둘러싸고 벌어진 우선권 분쟁을 심도 있게 설명하고 있다. 이 책의 핵심을 이루는 일곱 원소는 모두 우선권 분쟁의 대상이었고, 나아가 대부분은 국수주의적 동기에 잠식된 분쟁이었다. 우선권을 확보하고자 하는 과학자의 마음이 다소 극단적으로 표출된 상황을 꼽으라면, 그가 과학적 발견을 위조하려는 충동에 넘어가는 경우가 있다. 흥미롭게도 우리는 118번 원소의 합성에서 실제 그런 행위를 목격할 수 있다. 당시 데이터를 조작했다고 알려진 버클리의 수석 과학자는 그 일로 해고되었다. 그리고 그보다는 덜 괘씸하지만 더 흔한 행동은 경쟁자를 언급하지 않는 것이다. 또한 저자는 많은 학자들이 지적했듯이 주기율표의 발견자로 첫손가락에 꼽히는 멘델레예프가 그랬다고 말한다. 멘델레예프는 요한 볼프강 되베라이너나 막스 요제프 폰 페텐코퍼와 같은 초기 연구자들의 논문은 기꺼이 인용하면서도 율리우스 로타어 마이어나 존 뉴랜즈 같은 직접적인 경쟁자들의 연구는 인정하기를 꺼렸을 뿐 아니라 그들의 연구를 꽤 신랄하게 비판하기도 했다. 사실 멘델레예프는 로타어 마이어와 제법 사나운 우선권 분쟁을 벌였다.

우선권 분쟁에서 한 가지 흥미로운 측면은 연구에 직접 관여하지 않은 사람들이 해당 과학자의 우선권을 대신 주장하며 물고 늘어지는 경우가 많다는 점이다. 이 책에 소개된 하프늄, 테크네튬, 레늄, 프로메튬 등등 여러 원소의 경우가 그러했는데, 하프늄(4장. 〈72번 원소 ? 하프늄〉)의 경우에는 원소를 발견했다고 주장한 당사자들보다도 과학 매체와 대중매체가 그들을 대신하여 소란스러운 발언을 쏟아냈다. 하프늄을 둘러싼 이 분쟁은 과학의 국수주의를 보여주는 여러 사례 중에서도 역사상 가장 격렬했고 때때로 가장 우스꽝스러웠다.

과학계는 하프늄의 발견을 둘러싸고서 당시 끝난 지 얼마 되지 않았던 제1차 세계대전의 전선을 따라 반으로 쪼개졌다. 영국과 프랑스의 학술지와 대중매체는 자신이 72번 원소를 발견했다고 주장하며 셀튬이라 명명했던 위르뱅의 손을 들어주었다. 그들이 볼 때 덴마크 코펜하겐에 있는 보어의 연구소에서 작업했던 코스터와 헤베시는 전시의 적군이었던 독일과 오스트리아와 한통속이나 마찬가지였기 때문이다. 이처럼 정치적인 이유에서 촉발된 민족주의가 개입한 사례로서 좀 더 최근에 일어난 사건은 1960년대에 105번 원소의 합성을 둘러싸고 벌어진 논쟁이었다. 당시 미국과 소련 과학자들은 나중에 러시아 두브나의 이름을 따서 더브늄이라 명명될 그 원소를 누가 먼저 합성했느냐를 두고 옥신각신했다. 반면에 냉전기의 이 사건과는 대조를 이루는 흥미로운 사례로, 미국 과학자들이 101번 원소를 멘델레븀이라고 명명함으로써 ‘상대편’ 과학자를 기린 일도 있었다.

끝으로 10장 〈미발견 원소에서 합성 원소로〉에서는 지난 반세기 동안 어떻게 초우라늄 원소가 26개 추가로 발견되었는지, 그 원소들이 주기율표의 어느 지점에 어떻게 자리 잡게 되었는지 등을 흥미롭게 설명하며, 주기율표의 미래에 대해서도 짐작케 한다.

이렇듯 저자는 일곱 원소를 찾아 탐험했던 많은 과학자들의 사이의 희극적이고도 비극적인 일화들을 통해 과학적 발견이 객관적으로 쉽게 확인되는 사건일 것이라는 생각이 얼마나 큰 착각인지 알려준다. 원소 발견은 언뜻 ‘발견하든가 못하든가 둘 중 하나잖아?’ 싶지만 전혀 그렇게 간단한 문제가 아니라는 것, 실제 과학 활동에는 늘 정치와 사회, 문화가 큰 영향을 미친다는 것, 무엇이 발견인지 합의하는 과정 자체도 지식 생성의 중요한 일부라는 것, 그리고 과학을 더 잘 이해하기 위해서는 역사적 반전과 방향 전환과 실수를 직시할 수 있어야 한다는 것, 바로 이런 여러 과학철학적 논제들을 성찰하며 우리에게 생각의 거리를 던지고 있다.

저 : 에릭 셰리

Eric Scerri
 화학의 역사와 철학, 특히 주기율표에 정통한 선도적 과학철학자. 국제 학술지 《파운데이션즈 오브 케미스트리》의 창간자이자 편집장이다. 런던 대학, 케임브리지 대학, 사우샘프턴 대학에서 공부했고, 런던 킹스 칼리지에서 화학사 및 화학철학을 주제로 박사 학위를 받았다. 런던 정경대학과 캘리포니아 공과대학에서 박사후연구원으로 일한 뒤 브래들리 대학과 퍼듀 대학에서 3년 동안 화학을 가르쳤고, 2000년 가을부터 UCLA(로스앤젤레스 캘리포니아 대학)에서 가르치기 시작했다. UCLA에서 지금까지 2만 명이 넘는 화학과 학생들을 가르쳤고, 더불어 과학사 및 과학철학 수업들도 진행하고 있다. 주기율표에 관한 그의 첫 책은 UCLA 화학과가 주는 뉴비매코이 상을 받았고, 잡지 《초이스》에서 그해 최고의 학술서적으로 뽑혔다. 주기율표에 관한 두 번째 책도 《초이스》에서 그해 최고의 학술서적으로 뽑혔다. 그리고 화학 연구의 초상을 흥미진진하게 그려낸 이 책 『일곱 원소 이야기』는 《뉴사이언티스트》가 선정한 2013년 최고의 과학책 12권에 뽑혔다. 셰리는 이 밖에도 연구 논문을 모은 선집 두 권을 출간했고, 화학철학과 화학원소에 관한 책을 세 권 엮었다. 그가 쓴 책들은 15개 언어로 번역되었다. 그는 PBS 방송의 다큐멘터리 시리즈 ‘물질의 신비’를 비롯하여 여러 라디오 및 텔레비전 프로그램에 출연했다. 또한 세계 곳곳에서 자주 강연한다. 전문적 학술지뿐 아니라 《사이언티픽 아메리칸》, 《아메리칸 사이언티스트》, 《뉴사이언티스트》, 《케미스트리 월드》 등 대중적인 매체들도 포함하여 지금까지 100 편이 넘는 논문과 글을 발표했다. 

감수 : 올리버 색스

 Oliver Sacks

 1933년 영국 런던에서 태어났다. 옥스퍼드대학 퀸스칼리지에서 의학학위를 받았고, 미국으로 건너가 샌프란시스코와 UCLA에서 레지던트 생활을 했다. 1965년 뉴욕으로 옮겨가 이듬해부터 베스 에이브러햄병원에서 신경과 전문의로 일하기 시작한 그는 알베르트 아인슈타인 의과대학과 뉴욕대학을 거쳐 컬럼비아대학 신경정신과 임상 교수, 영국 워릭대학교 객원교수, 미국 뉴욕대학교 의과대학 신경학과 교수 등으로 재직하다 2015년 8월 향년 82세를 일기로 세상을 떠났다.

올리버 색스는 신경과 전문의로 활동하면서 만난 환자들의 사연을 책으로 펴냈고, 그 책을 통해 인간의 뇌와 정신 활동에 대한 매우 흥미로운 이야기들을 쉽고 재미있게 그리고 감동적으로 들려주는 작가이기도 하다. <뉴욕 타임스>는 이처럼 문학적인 글쓰기로 대중과 소통하는 올리버 색스를 ‘의학계의 계관시인’이라고 부른다. 그는 《오악사카 저널》 《목소리를 보았네》 《나는 침대에서 내 다리를 주웠다》 《깨어남》 《뮤지코필리아》 《편두통》을 비롯해 《아내를 모자로 착각한 남자》 《화성의 인류학자》 등 지금까지 모두 10여 권의 책을 발표했다. 최근작으로는 《환각Hallucinations》(한국어판 근간)이 있다.

음악 애호가로서 평소 바흐와 모차르트를 즐겨 듣는다는 그는 《뮤지코필리아》에서 볼 수 있듯이 음악과 우리의 뇌, 그리고 마음의 관계를 밝히고자 연구했다. 2002년 록펠러대학은 과학에 관한 탁월한 저술을 남긴 사람에게 수여하는 ‘루이스 토머스 상’을 그에게 주었고, 모교인 옥스퍼드대학을 비롯한 여러 대학에서 명예박사 학위를 받았다. 

역 : 김명남

KAIST 화학과를 졸업하고 서울대 환경대학원에서 환경 정책을 공부했다. 인터넷 서점 알라딘 편집팀장을 지냈고, 지금은 전문 번역가로 활동하고 있다. 옮긴 책으로 『시크릿 하우스』,『이보디보』,『불편한 진실』,『특이점이 온다』,『한 권으로 읽는 브리태니커』,『버자이너 문화사』, 『식품 진단서』,『내 안의 물고기』, 『이보디보, 생명의 블랙박스를 열다』,『세상에서 가장 재미있는 진화』,『포크를 생각하다』,『우리는 모두 페미니스트가 되어야 합니다』『암흑 물질과 공룡』 등이 있다. 『우리 본성의 선한 천사』로 제55회 한국출판문화상 번역상을 수상했다.