한 권으로 이해하는 원자·소립자·양자의 세계

만물은 무엇으로 이루어져 있을까?
만물을 구성하는 궁극의 극소물질 '소립자'!
원자·소립자의 행동을 설명하는 '양자'의 세계
'만물은 무엇으로 이루어져 있는가' 이 물음에 어떤 그리스의 철인은 이렇게 대답했다. '만물은 원자로 이루어져 있다.' 이 문답은 이후 2500년 이상이나 반복되어왔다. 그리고 지금은 수십 종류, 수십 개의 소립자가 서로 결합해 양성자나 중성자, 원자핵을 구성하고 그 원자핵이 결합해 분자를 이루며, 다시 수십 종류, 수십 개의 분자가 한데 모여 만물을 형성한다는 사실이 밝혀졌다.
하지만 '소립자가 어떻게 원자를 구성하고, 원자가 어떻게 분자를 이루는가'에 대한 설명은 좀처럼 밝혀지지 않았다. 비로소 원자의 구조가 밝혀지기 시작한 것은 20세기 초에 접어든 뒤의 이야기다. 이 무렵에 당시 물리학의 근간을 뒤집은 양대 이론인 '상대성 이론'과 '양자론'이 등장했기 때문이다.
'상대성 이론'과 '양자론'은 연구 대상으로 삼는 세계가 전혀 다르다. '상대성 이론'은 '우주, 천체, 미래'라는 장대하며 깊은 세계, 그리고 그곳을 종횡무진하는 광자나 로켓 등 무척이나 빠른 물체의 움직임을 대상으로 삼고 있다. 반면에 '양자론'은 '분자, 원자, 원자핵, 소립자라는 무척이나 미세한 물체의 움직임'을 다룬다. 하지만 '극대와 극소는 서로를 끌어당긴다'라는 매력적인 명제는 여기에도 적용된 듯하다. 현재 두 이론은 서로 영향을 주고받으며 한층 고도화된 응용 분야도 감당해낼 수 있게끔 성장을 이어나가고 있다.
양자론을 다룬 교과서나 해설서는 무척 많다. 하지만 처음부터 끝까지 수식의 나열로 이루어져 있거나 반대로 이게 과학 책인지 동양철학 책인지 헷갈릴 정도로 철학적인 분위기로 치우친 책들이 종종 보인다. 이 책은 이해한 내용이 독자의 머릿속에 남게끔, 일단 구체적으로 머릿속에 떠오를 법한 내용을 중심으로 쓰였다. 또 이 책에는 해설을 돕는 그림이 풍부하게 삽입되어 있다. 이를 훑어보기만 하더라도 이윽고 본질을 이해할 수 있게 될 것이다.

시작하며

제1장 소립자란 어떤 물질일까?
1-1 세상의 만물을 구성하는 것은 무엇일까?
원자에서 소립자로
1-2 모든 물질은 소립자에 다다른다
페르미 입자
1-3 소립자를 한데 모으는 것 역시 소립자였다
힘을 전달하는 게이지 입자
1-4 세계의 성립을 설명하는 표준 모형 이후의 발견
중성미자 진동
1-5 전기적인 성질이 정반대인 반입자의 발견
쌍소멸과 쌍생성
1-6 표준 모형의 부족한 부분을 보충하는 각종 소립자론
대통일 이론·초대칭성 이론·초끈 이론

제2장 극소의 세계로-양자론의 새벽
2-1 현대 물리학의 양대 이론의 탄생
상대성 이론과 양자론
2-2 양자론에서 말하는 양자란 무엇일까?
양자·양자화·양자수
2-3 빛의 정체는 입자일까? 파동일까?
안개상자·광전관 실험
2-4 물질은 입자이기도 하며 파동이기도 하다
물질파

제3장 양자론적으로 보는 원자의 구조
3-1 원자 구조는 어떻게 해명되어 왔을까?
고대 그리스부터 20세기 초까지
3-2 방정식으로 도출된 원자 모형
슈뢰딩거 방정식
3-3 원자의 화학적 실체는 전자구름에 있다
전자껍질과 양자수
3-4 전자의 궤도는 입체를 이룬다
양자론의 궤도
3-5 전자구름은 전자의 존재 확률의 도식화
하이젠베르크의 불확정성 원리
3-6 전자 배치에는 규칙이 있다
파울리와 훈트의 원리
3-7 무엇이 원자의 물성과 반응성을 지배할까?
최외각 전자·원자가 전자의 역할

제4장 양자론적으로 보는 분자의 구조
4-1 수소 원자의 궤도와 수소 분자의 궤도
파동함수
4-2 간단하게 구해지는 수소 분자의 결합 에너지
궤도 상관도
4-3 같은 원자로 이루어진 분자의 결합 에너지는?
동핵 이원자 분자
4-4 혼성궤도는 원자궤도의 재편성
sp³혼성궤도
4-5 몇 중 결합과 σ결합·π결합의 관계는?
시스-트랜스 이성질체

제5장 소립자를 통해 보는 원자핵의 구조
5-1 원자의 구조와 원자핵의 구조
전자구름·원자핵과 양성자·중성자
5-2 원자핵을 어떻게 표현할까?
원자번호·질량수·동위원소
5-3 원자핵의 구조는 어디까지 밝혀졌을까?
원자핵 물리학의 '마법수'란
5-4 원자핵의 양성자와 중성자를 결합시키는 결합 에너지
방사성 동위원소
5-5 방사선에는 어떠한 것이 있을까?
α선·γ선·중성자선·양자선의 성질

제6장 원자핵 반응과 우주를 생성한 에너지
6-1 원자핵은 어떻게 다른 원자핵으로 변화할까?
원자핵 반응·원자핵 붕괴
6-2 방대한 에너지를 낳는 핵분열 반응과 핵융합 반응
원자핵 분열·원자핵 융합
6-3 원자의 탄생과 성장-우주의 시작과 항성의 일생
항성·중성자별·초신성 폭발
6-4 원자핵 반응을 이용한 원자력 발전의 원리
원자로의 구성 요소
6-5 인간의 손으로 태양을 만드는 인공 핵융합이라는 꿈
핵융합로의 개발

제7장 지구와 인간에 우주 방사선이 끼치는 영향
7-1 우주 방사선은 우리의 생활에 뜻하지 않은 영향을 끼친다
은하 우주 방사선과 태양 우주 방사선
7-2 대기 밖·대기 안의 우주 방사선을 구성하는 입자
1차 우주 방사선·2차 우주 방사선
7-3 우주 방사선과 오로라는 무슨 관련이 있을까?
태양풍으로부터 지구를 지키는 자기권
7-4 오로라의 색깔과 형태의 차이는 어디에서 생겨날까?
색깔은 에너지의 차이
7-5 인체·인간사회에 미치는 우주 방사선의 영향
전자파·오존홀

제8장 어떻게 현실세계에서 양자론을 활용할 수 있을까
8-1 우주 방사선을 이용한 비파괴 검사와 정밀검사
뮤 입자 투과법과 산란법
8-2 뮤 입자로 증명한 상대성 이론
극소는 극대로 통한다
8-3 현대 화학을 이끌어낸 양자화학의 탄생
궤도대칭성의 이론
8-4 양자역학을 이용한 양자 컴퓨터란?
양자 컴퓨터의 특기 분야
8-5 2019년에 밝혀진 블랙홀의 존재
블랙홀의 종류
8-6 초전도 발생 기구의 해명과 새로운 초전도체의 발견
임계온도의 향상

참고문헌
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사이토 가쓰히로 1945년 5월 3일 출생. 1974년, 도호쿠대학 대학원 이학연구과 박사과정 수료. 현재는 나고야 공업대학 명예교수로 재직 중이다. 이학박사. 전문 분야는 유기화학, 물리화학, 광화학, 초분자화학. 주요 저서로는 『한 권으로 이해하는 독과 약의 과학』, 『머릿속에 쏙쏙! 환경과학 노트』, 『머릿속에 쏙쏙! 화학 노트』, 『머릿속에 쏙쏙! 영양소 노트』, 『머릿속에 쏙쏙! 상대성 이론 노트』, 『알아두면 쓸모 있는 식품 과학 이야기』, 『교양으로 읽는 원자력 상식』 등이 있다.