“어떻게 하면 물리화학을 더 쉽게 가르치고, 또 공부할 수 있을까?”

-어려운 물리화학, 쉽게 입문하기-

* 너무 중요하지만, 너무 어려운 물리화학

보통 화학 또는 화학과 관련된 공학을 전공하는 학생들에게 물리화학, 유기화학, 무기화학, 분석화학, 생화학, 고분자 화학 등 세부 분야 중 가장 어려운 것이 무엇이냐고 질문하면, 물리화학이라고 답하는 경우가 많다.

물리화학은 화학의 가장 기본이 되는 학문인 동시에 반도체, 디스플레이, 에너지 소재, 환경 촉매 등 다양한 응용 분야와도 밀접한 연관이 있다. 이 책을 지은 성균관대학교 화학과 김영독 교수 역시 지난 10여 년간 표면 물리화학을 기반으로 미세먼지 원인 물질 등의 대기 오염 물질 제거라는 환경과학 분야의 연구를 이어가고 있다. 이처럼 화학 분야에서 다루는 거의 모든 분석법의 원리를 이해하기 위해서는, 반드시 물리화학 지식이 필요하다. 물리화학은 이처럼 중요한 학문이지만, 여전히 물리화학을 어렵게만 생각하는 사람들이 많다.

 

 

* 기본 개념과 함께 들려주고 싶은 개인적인 이야기들

이 책은 그동안 저자가 학생들에게 물리화학을 가르치면서 “어떻게 하면 더 쉽게 물리화학 개념을 설명해 줄 수 있을까?” 긴 시간 고민한 내용을 한 권의 책으로 정리한 것이다. 무엇보다 물리화학을 공부하는 학생들의 당혹스러움과 어려움을 이해하고 그 고통에 공감하면서, 물리화학을 처음 만나고 배우는 입장에서의 그 어려움을 조금이라도 덜어주고, 또 도와주고 싶다는 간절함과 진심 어린 스승이자 선배의 마음을 담았다. 물리화학 관련 지식은 물론이고 저자 개인의 삶에 대한 개인적인 소회와 당부까지 담아 독자들에게 좀더 친근하고 진솔하게 다가가고자 노력했다.

 

 

* 양자화학, 분광학, 통계열역학

대학교 1학년 때 일반화학을 배우고 난 뒤 전공과목을 수강하기 전에 이 책을 먼저 읽으면 2학년 때부터 배우는 물리화학 관련 전공 강의들이 조금 더 쉽게 다가올 것이다.

이 책에서는 물리화학 분야 중 양자화학, 분광학, 통계열역학 분야의 기초 지식을 간단히 정리했다. 이 책을 읽다 보면 자연스럽게 양자화학을 이해해야 분광학을 이해할 수 있고, 분광학의 기반 지식을 가지고 있어야 통계열역학을 공부할 수 있다는 사실을 깨닫게 된다. 이 세 가지의 분야, 양자화학과 분광학, 통계열역학은 사실 서로 긴밀하게 연결되어 있다.

 

 

* 물리화학에 대한 관심을 가질 수 있기를

일반적으로 물리화학 수업에서는 많은 수식을 다루는데, 이 책에서는 물리화학의 개념에 대해 최소한의 수식만 사용해서 설명하려고 최대한 노력했다. 또 대학교 일반화학이나 고등학교 교과 과정에서 배우는 내용들은 따로 자세히 설명하지는 않았다. 혹시라도 이 책을 읽다가 이해하기 어려운 내용이 있다면, 일반화학 내용을 먼저 공부하고, 다시 이 책의 내용으로 돌아와야 할 경우가 있을 수도 있다. 또한 이미 그 내용을 쉽고 재미있게 설명한 일반화학 교재들은 많이 있다고 생각하여 여기서는 따로 다루진 않았다. 부디 이 책을 통해 학생들이 물리화학에 대해 더 많은 관심을 가지게 되길 바란다.

 

 

* 후배 연구자들을 응원하며

물리화학의 기본 개념을 처음 만나는 책이지만, 이 책에서 저자는 후배 연구자들에 대한 따뜻한 당부를 잊지 않는다. 그저 앞만 보는 성과에 연연한 연구에만 너무 빠지지 말고 휴식이 필요할 때는 쉬어가라고 조언한다. 연구자들은 보통 하루하루 너무나 열심히 주어진 연구 과제를 해결하는 과정을 반복한다. 우리 삶도 연구와 닮았다. 목표를 향해 아주 열심히 할 수도 있지만, 사실 꿈이나 목표 없이도 열심히 살아갈 수 있다. 어떤 경우든 모든 삶은 인정을 받아야 하며, 목표를 잃어버린 사람이든 혹은 다시 새로운 목표를 찾는 사람이든 누구나 다 존중받을 자격이 있다. 눈에 보이는 성과 중심으로만 생각하기보다는 각자 방식으로 연구하고 살아가기를 응원하는 진솔한 마음을 책 곳곳에 담았다. 이 책을 시작으로 앞으로도 저자는 다양한 방식으로 젊은 연구자들을 응원하면서 살아가고자 하고 있다. 부디 이 책이 물리화학을 처음 만나는 데 있어 도움이 될 뿐만 아니라, 연구자로서 인생의 긴 여정을 시작하는 모두에게 따뜻한 격려가 되는 동반자가 되길 바란다.

[목 차]

머리말

 

1장 양자화학,

하루에 1시간씩, 1주일만 공부하면 화학과 교수만큼 이해할 수 있다.

1 에너지는 연속적인가, 불연속적인가?

2 파동성과 입자성 1

3 상자 속의 알맹이: 가장 간단한 양자화의 모델

4 파동성과 입자성 2

5 1990년대에 큰 분자의 파동성을 증명한 실험

6 파동함수와 그 제곱의 물리적 의미, 그리고 분광학

7 파동함수에 대한 해석

8 양자화학은 왜 어려운가?

9 터널링 현상에 대한 정성적인 고찰

10 퇴화도 또는 축퇴

11 수소 원자 안에 갇힌 전자

12 오비탈

13 양자화학에서 상자 속의 알맹이를 배우는 이유

14 입자의 2차원 회전운동

15 파동에 대한 이해

16 파동방정식

17 파동방정식을 이용한 상자 속의 알맹이 해

18 터널링: 파동함수 및 파동방정식

19 분자의 다양한 에너지 모드

20 분자의 회전운동

21 분자의 진동운동(조화진동자)

이원자 분자의 에너지에 대한 정리

 

2장 분광학,

하루에 1시간씩, 1주일만 공부하면 화학과 교수만큼 이해할 수 있다.

1 빛의 성질

2 빛에 의한 전이에 대한 기초 이론

3 X-선 흡수 분광법을 이용한 고체 표면에 흡착된 분자의 배향 결정

4 회전과 진동전이에 대한 선택 규칙

5 조화진동자와 비조화성

6 Raman 분광법

7 회전과 진동전이가 동시에 일어나는 경우들(적외선 흡수 분광법과 Raman 분광법)

8 전자전이: 전자의 스핀에 대하여

9 전자전이: 프랑크-콘돈 원리

10 핵자기공명법(Nuclear magnetic Resonance, NMR)

11 분광분석기의 기본 구조

12 회절을 이용한 구조 분석에 대한 아주 간단한 설명

 

3장 통계열역학,

하루에 1시간씩, 1주일만 공부하면 화학과 교수만큼 이해할 수 있다.

1 볼츠만 분배와 엔트로피

2 열역학적 관점에서의 세상의 종말

3 분배함수

4 분자의 병진운동, 회전운동, 진동운동, 그리고 전자의 분배함수

5 분자의 내부에너지

6 부피가 일정한 경우의 열용량

7 통계열역학적 엔트로피

8 가역, 비가역, 그리고 클라우지우스

부등식

 

맺는말

참고문헌