우주가 숨겨둔 힘,

원자 속의 에너지를 찾아서

과학을 가장 쉽고 흥미롭게 설명한 작가, 아이작 아시모프. 이 책에서 그는 원자의 구조, 방사능의 발견, 핵분열과 핵융합 그리고 핵에너지가 세상에 등장하기까지의 과학적 여정을 생생하게 그려낸다. 핵에너지를 이해하려면 반드시 짚고 넘어가야 할 과학 원리들이 아시모프 특유의 명료한 문체로 정리되어 있어, 학생부터 일반 독자까지 모두가 핵물리학의 큰 흐름을 자연스럽게 따라갈 수 있다. 핵에너지가 어떻게 발견되고, 어떤 원리로 작동하며, 앞으로 어떤 가능성을 가지고 있는지 탐구하는 이 책은 과학적 사고를 키우는 데에도 큰 도움을 줄 것이다.

과학을 가장 쉽고 흥미롭게 설명한 작가, 아이작 아시모프. 이 책에서 그는 원자의 구조, 방사능의 발견, 핵분열과 핵융합 그리고 핵에너지가 세상에 등장하기까지의 과학적 여정을 생생하게 그려낸다. 핵에너지를 이해하려면 반드시 짚고 넘어가야 할 과학 원리들이 아시모프 특유의 명료한 문체로 정리되어 있어, 학생부터 일반 독자까지 모두가 핵물리학의 큰 흐름을 자연스럽게 따라갈 수 있다. 핵에너지가 어떻게 발견되고, 어떤 원리로 작동하며, 앞으로 어떤 가능성을 가지고 있는지 탐구하는 이 책은 과학적 사고를 키우는 데에도 큰 도움을 줄 것이다.

[목 차]
  

서문 … 7

 

∥제1부∥ 원자와 에너지 그리고 전기의 세계 … 9

원자량 … 12

전기 … 17

전기의 단위 … 17

음극선 … 19

방사능 … 23

원자의 구조 … 28

원자번호 … 33

동위원소 … 37

에너지 … 48

에너지 보존의 법칙 … 48

화학 에너지 … 51

전자와 에너지 … 56

태양의 에너지 … 58

방사능의 에너지 … 62

 

∥제2부∥질량과 에너지, 중성자, 원자핵의 구조 … 69

질량과 에너지 … 71

핵의 구조 … 79

양성자 79

양성자-전자 이론 … 81

핵 속의 양성자 … 86

핵 충돌 … 89

입자가속기 … 95

중성자 … 100

핵스핀 100

중성자의 발견 … 104

양성자-중성자 이론 … 108

핵 상호작용 … 112

중성자 충돌 … 119

 

∥제3부∥핵분열, 핵융합, 핵융합을 넘어 … 125

핵분열 … 127

새로운 요소들 … 127

핵분열의 발견 … 134

핵 연쇄반응 … 140

핵폭탄 … 148

원자로 … 156

핵융합 … 161

태양의 에너지 … 161

열핵폭탄 … 164

제어된 핵융합 … 168

핵융합을 넘어서 … 176

반물질 … 176

미지의 영역 … 182

부록 1: 아시모프 이후의 핵과 입자과학의 전개 … 186

부록 2: 핵에너지 이후의 에너지 … 187

[본 문]
  

1939년 이후 인류가 원자를 다루며 이룩한 일들만큼 환상적이거나 믿기 어려운 것은 없었다. 앞으로 무엇이 기다리고 있을지는 가늠조차 어렵다. 고갈되지 않는 에너지, 새로운 세계들 그리고 물리적 우주에 대한 끊임없이 확장되는 지식이 그 앞에 놓여 있을지도 모른다.(7쪽)

 

이른바 ‘원자설’은 1808년에 이르러서야 확고한 토대를 갖추게 되었다. 그해 영국의 화학자 존 돌턴은 원자에 대해 자세히 논의한 책을 출간했다. 그는 모든 원소가 각기 고유한 종류의 원자로 이루어져 있다고 주장했다. 한 원소의 원자는 다른 모든 원소의 원자와 다르며, 여러 원자들 사이의 가장 큰 차이는 질량, 즉 무게에 있다고 보았다.(12쪽)

 

에너지는 형태를 바꾸어 여러 번 전환될 수 있지만, 그 총량은 변하지 않는다. 에너지는 새로이 창조되거나 소멸되지 않는다. 이것이 바로 ‘에너지 보존 법칙’이다.(51쪽)

 

1900년경부터 물리학자들은 원자 안에 상상초자 하지 못했던 막대한 에너지 저장소가 존재한다는 사실을 서서히 깨닫기 시작했다. 원자 속의 에너지는 화학적 에너지의 수백만 배에 달했으며, 처음에는 그 엄청난 규모를 믿기 어려웠다. (71쪽)

 

질량-에너지 등가 관계는 왜 원자 속에 그렇게도 방대한 에너지가 저장되어 있는지를 완벽히 설명해 주었다. 사실 놀라운 것은, 방사성 붕괴가 그 잠재된 에너지에 비해 너무나 적은 양의 에너지만을 방출한다는 점이었다. 한 개의 우라늄 원자가 여러 단계를 거쳐 납 원자로 붕괴할 때 방출하는 에너지는, 같은 원자가 어떤 격렬한 화학 반응에 참여하더라도 나올 수 있는 에너지보다 백만 배나 컸다. 그러나 그렇게 엄청난 방출 에너지조차도, 우라늄 원자의 질량이 지닌 전체 에너지의 약 0.5%에 불과했다.

러더퍼드가 원자의 핵 구조 이론을 세운 뒤, 질량-에너지 등가 관계에 따르면 방사능 에너지의 근원은 거의 모든 질량이 집중되어 있는 원자핵 내부일 가능성이 높다는 사실이 분명해졌다. 따라서 물리학자들의 관심은 자연스럽게 원자핵으로 향하게 되었다.(77~78쪽)

 

중성자가 발견되자마자, 물리학자들은 또 하나의 특별한 성질을 지닌 충돌 입자를 얻게 된 것처럼 보였다. 중성자는 전하를 전혀 띠지 않기 때문에, 원자의 바깥쪽에 있는 전자나 중심의 원자핵으로부터 어떤 반발도 받지 않았다. 즉, 전자기적 인력이나 반발력의 영향을 전혀 받지 않고 직선 경로를 따라 움직일 수 있었다. 만약 그 경로가 원자핵을 향하고 있다면, 그 핵이 아무리 강한 전하를 가지고 있더라도 중성자는 그대로 충돌할 수 있었다. 그리고 그 결과로, 양성자였다면 결코 일으킬 수 없었을 핵반응이 종종 유도되었다.

물론 처음에는 중성자가 전하를 띠지 않는다는 점이 오히려 단점처럼 보였다. 전하가 없으니, 전자기적 상호작용을 이용해 입자를 가속시키는 장치들로는 중성자를 직접 가속할 수 없었던 것이다. 이 문제를 우회할 방법이 하나 있었고, 그 해결책은 1935년 미국의 물리학자 J. 로버트 오펜하이머(J. Robert Oppenheimer,1904~1967)와 그의 제자 멜바 필립스가 제시했다.(119~120쪽)