3. 원자구조의 비밀
2009/02/26 18:14
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원자들의 전람회
그럼 잠시 쉬어가는 기분으로 두 사람이 보았던 원소들의 모습이 어땠는지 한 번 구경해 볼까요? 원자번호 순으로 구조가 비교적 간단한 것부터 살펴보겠습니다.
[수소와 헬륨 H1, He2]
원자번호 1인 수소와 원자번호 2인 헬륨은 전체적으로 타원형의 외관을 하고 있으며, 내부에는 작은 점으로 표시된 소립자들이 작은 원이나 삼각형, 육각형, 그리고 정사면체 등의 다양한 기하학적 형태로 배열되어 있는 것을 볼 수 있습니다. 다음은 원자번호 3번인 리튬에서 원자번호 20번인 칼슘까지 연이어서 보겠습니다.
[리튬 Li3] [베릴륨 Be4]
[붕소 B5] [탄소 C6]
[질소 N7] [산소 O8]
[불소 F9] [네온 Ne10]
[나트륨 Na11] [마그네슘 Mg12]
[알루미늄 Al13] [규소 Si14]
[인 P15] [황 S16]
[염소 Cl17] [아르곤 Ar18]
[칼륨 K19] [칼슘 Ca20]
주로 그림의 위쪽이나 왼쪽에 있는 형태들은 원자의 전체적인 윤곽을 나타내고, 오른쪽이나 아래에 묘사된 그림은 원자를 구성하고 있는 일부 요소들의 내부구조를 분석한 것입니다. 가만히 살펴보면 원자번호가 증가함에 따라 내부구조도 복잡해지는 경향이 있긴 하지만, 원자의 외형은 몇 가지 기본적인 형태가 반복되고 있는 것을 볼 수 있습니다. 좀 더 무거운 원소들을 볼까요? 원자번호 88번인 라듐을 한 번 살펴보겠습니다.
[라듐]
훨씬 복잡하군요. 그렇지만 라듐은 베릴륨과 같은 정사면체 모양을 하고 있습니다. 방사상의 둥근 구체는 정사면체 한 가운데 있는 중앙구체를 나타내고, 오른쪽 위에 있는 그림은 정사면체의 네 면을 향하고 있는 네 개의 나팔, 또는 깔때기 모양의 구조 속에 있는 소립자들을 나타냅니다. 오른쪽 아래에 있는 그림은 베릴륨에는 없던 스파이크 모양의 구조인데, 모두 네 개의 이런 성분이 정사면체의 네 면을 향하고 있어 전체적으로는 정사면체 모양에서 벗어나지 않습니다. 다음은 리드비터가 맨 처음 보려고 했다가 너무 복잡해서 포기했던 원자번호 79번의 금을 한 번 보도록 하지요.
[금]
역시 가벼운 원소들보다는 매우 복잡한 구조를 하고 있는데, 전체적으로 외형이 뚱뚱하긴 하지만 나트륨과 유사한 외부구조를 가지고 있습니다.
원자들의 기묘한 형태와 주기율표
다른 무거운 원소들도 마찬가지입니다. 내부의 세세한 구조는 조금씩 차이가 있지만, 전체적인 외형은 몇 가지의 기본적인 형태가 반복되어 나타나고 있습니다. 그 기본적인 형태들은 다음과 같이 정리해 볼 수 있는데, 선돌형, 아령형, 정사면체형, 정육면체형, 정팔면체형, 방사막대형, 설형 이렇게 모두 7가지입니다. 다만 수소와 헬륨, 질소, 산소와 같은 극소수의 원자만이 여기에 포함되지 않습니다.
[원자의 일곱 가지 형태]
이 형태들은 원자번호가 증가함에 따라 무작위로 나타나는 것이 아니라 어떤 주기성을 가지고 있습니다. 즉 선돌형 다음에는 정사면체형, 그 다음에는 정육면체형, 그 다음에는 정팔면체형, 그리고 그 다음에는 다시 정육면체형과 정사면체형, 선돌형, 설형으로 되었다가, 이번에는 아령형, 정사면체, 정육면체형, 정팔면체형, 또 정육면체형, 정사면체형, 아령형, 방사막대형, 선돌형으로 되돌아오는 식입니다. 이런 주기성은 우연하게도 19세기말에 윌리엄 크룩스가 내놓았던 주기율표와 아주 잘 일치합니다.
[크룩스의 주기율표]
이것은 우리가 화학시간에 배워 잘 알고 있는 멘델례프의 주기율표와는 다른 것입니다. 그렇지만 형태를 기준으로 한 오컬트화학의 주기율이 왜 멘델례프의 주기율표와 다른지, 그리고 왜 원자들이 그런 이상한 형태들을 하고 있으며 주기성을 갖고 있는지는 이 책에서 다루지 않을 것입니다. 다만 오컬트화학이란 어떤 것이고, 또 투시자들이 본 원자는 대충 이런 모습을 하고 있다는 것을 보여주기 위해 이 생소한 그림들을 소개했으며, 이제부터는 곧바로 이 책의 핵심주제인 ‘아누’에 대해서 이야기해보도록 하겠습니다.
[윌리엄 크룩스, 1832-1919]
물질의 궁극원자
위의 원자들을 보면, 모두 작은 점들이 어떤 배열과 구조를 이루어 만들어진 형태라는 것을 알 수 있습니다. 수소를 보면 모두 18개의 이런 점들이 있는데, 이 점들이 바로 원자를 이루는 최소의 단위입니다. 그리고 그것은 물론 우리가 보통 말하는 소립자의 일종에 해당합니다.
모든 물질계의 물질은 이 최소단위의 소립자가 모여서 된 것입니다. 신지학자들은 그 사실을 깨닫고 이를 ‘물질의 궁극원자(Ultimate Physical Atom)'라고 불렀으며, 『오컬트화학』 제2판까지만 해도 이 이름을 사용하였습니다. 나중에 지나라자다사가 ‘아누’라는 이름을 도입하였는데, 아누는 산스크리트어로 원자를 뜻합니다. 아누는 그저 작은 점이 아닙니다. 아누를 확대해 보면 다음과 같이 나름대로의 어떤 구조를 가지고 있는 것을 볼 수 있습니다.
[아누]
앞장에서 보았던 오컬트화학의 수소원자를 다시 한 번 보겠습니다. 두 개의 삼각형을 이루고 있는 여섯 개의 작은 원 속에 하트 모양을 한 소립자가 각각 세 개씩 들어있는 것을 볼 수 있습니다. 이 하트 모양의 소립자가 바로 위의 아누입니다. 즉, 수소에는 모두 18개의 아누가 있는 셈입니다.
[수소원자]
그런데 잘 보면 아누에 플러스와 마이너스 표시가 되어있는 것이 보입니다. 이것은 아누에 두 가지 종류가 있다는 것을 의미하는데, 아래와 같이 전체적인 모양은 서로 같지만 나선의 회전 방향이 반대로 되어 있습니다. 위에서 보아 바깥 나선의 회전방향이 시계방향인 것을 포지티브 아누라 부르고, 그 반대의 것은 네거티브 아누라고 부릅니다.
[포지티브 아누와 네거티브 아누]
20세기의 원자모델
그럼, 현대과학에서 이야기하는 원자의 모델과 오컬트화학의 원자모델이 어떻게 다른지 비교를 해보고 과연 공통점은 없는 것인지 생각해보겠습니다. 먼저 지금은 퇴물이 된 돌턴의 원자론부터 살펴보겠는데, 이렇게 하는 이유는 원자모델이라는 것이 확정되어 있는 것이 아니라 과학의 발전에 따라 계속 변해왔으며, 또 오컬트화학이 백 년 전에 발표되었으므로 오컬트화학과 비교해가면서 어떻게 그 유사성이나 차이점이 달라지게 되었는지 알아보기 위한 것입니다.
사실 19세기에는 원자에 대한 여러 가지 논의가 있었습니다. 톰슨은 소용돌이 원자론을 주창했으며, 많은 과학자들이 물리적인 원자와 화학적인 원자의 개념을 구분했습니다. 또 원자가 붕괴되지 않는다는 확고한 신념도 없었으며, 대체로 에테르의 존재를 받아들이는 분위기였습니다. 그러나 돌턴의 원자론이 굳어지면서 궁극적인 물리적 원자와 이들의 조합으로 이루어진 화학적인 원자 사이의 구별이 없어지고 이후 20세기 원자론 전개의 기반이 되었으며, 에테르 이론 역시 상대성 이론의 등장과 함께 20세기초 자취를 감추었습니다.
[돌턴의 원소기호, 1803]
돌턴의 원자론에서 원자는 단단하고 더 이상 쪼개지지 않으며, 화학 원소의 가장 작은 알갱이로서 원소에 따라 각기 정해진 특정한 화학적 성질을 가지고 있습니다. 따라서 자연계에는 서로 다른 수 십 개의 원자가 존재하는 셈입니다. 이런 포켓볼의 당구공 같은 원자모형이 바뀌게 된 것은 1897년에 톰슨이 전자를 발견했을 때입니다. 이제 원자는 푸딩이나 젤리 속에 마이너스 전하의 알갱이가 박힌, 간단하나마 어떤 내부구조를 가지고 있는 형태의 모형으로 바뀌었습니다.
[톰슨의 원자모형, 1897]
사실 돌턴의 원자모형이 정설로 받아들여지던 시절에 원자가 내부구조를 가지고 있다는 발견은 커다란 충격이었습니다. 톰슨이 전자를 발견하기 1～2년 전에 X선과 방사능 현상이 발견되었을 때도 과학자들은 어쩔 줄 몰라 했는데, 방사능 현상이 존재한다는 것은 원자가 내부구조를 가지고 있거나 붕괴될 수 있다는 것을 의미하기 때문이었습니다. 푸딩을 닮은 톰슨의 이 원자모형은 러더퍼드가 원자핵을 발견함으로써 조금 더 복잡해집니다. 이제 원자의 중심에는 플러스 전하를 가진 작은 원자핵이 자리하고 있으며, 그 주변에 마이너스 전하가 분포해 있는 것으로 여겨졌습니다. 러더퍼드는 1911년에 이것을 가다듬어 원자핵이 존재하고 핵 주위를 전자가 돌고 있는 원자모형을 내놓았습니다.
[러더퍼드의 원자모형, 1911]
그리고 1913년에는 닐스 보어가 러더퍼드의 원자모형을 수정하는데, 전자는 아무렇게나 원자핵 주위를 돌고 있는 것이 아니라 어떤 조건을 만족시키는 반경을 가진 특정 궤도상에만 있을 수 있다는 것입니다.
[보어의 원자모형, 1913]
한편, 1919년과 1932년에는 양성자와 중성자가 차례로 발견됨으로써 원자핵 역시 하부구조를 가지고 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 전체적으로 현재의 원자모형은 핵자들의 집합으로 이루어진 원자핵과, 보어의 특정한 궤도상에 양자역학적 확률분포에 따라 확률적으로 존재하는 전자구름의 띠로 형성되어 있습니다.
[현재의 원자모형]
쿼크의 발견
20세기 중반까지는 이렇게 양성자와 중성자, 그리고 전자가 우주의 모든 물질을 이루는 가장 기본적인 입자라고 믿어지고 있었습니다. 그러나 수많은 바리온(무거운 핵자)을 비롯해서 새로운 소립자들이 무더기로 발견되기 시작했는데, 이것은 양성자나 중성자보다도 더 아래 단계의 하부구조가 존재할 가능성을 시사하는 것입니다.
그러다가 마침내 1963년에 쿼크모델이 등장했습니다. 얼마 지나지 않아 쿼크모델은 널리 받아들여지게 되었고, 물질의 기본입자 지위도 양성자와 중성자에서 쿼크로 바뀌었습니다. 이렇게 더 작은 것, 더 기본적인 물질의 기본입자를 찾으려는 인간의 노력은 계속되었고, 그에 따라 원자의 모형도 한층 복잡해졌습니다.
[원자핵의 구성]
원자핵은 양성자와 중성자로 구성이 되며, 양성자와 중성자는 각기 세 개의 쿼크로 구성됩니다. 쿼크에도 몇 가지 종류가 있는데, 양성자의 경우는 ‘업(up)’이라는 이름의 쿼크 두 개와 ‘다운(down)’이라는 이름의 쿼크 한 개로 이루어지며, 중성자의 경우는 업쿼크 한 개와 다운쿼크 두 개로 이루어집니다.
[양성자와 중성자의 구성]
그러면 쿼크는 더 이상 나누어질 수 없는 것일까요? 과학자들은 진정 궁극의 기본입자를 찾아낸 것일까요? 신지학자들은 아누가 물질의 궁극원자라고 하였는데, 그렇다면 쿼크와 아누는 동일한 입자일까요?
오컬트화학의 수수께끼
복잡한 내부구조를 가진 오컬트화학의 원자모형이 전자가 발견되기도 전에 발표된 것은 흥미로운 일입니다. 만약 오컬트화학이 진실을 반영하고 있는 것이라면 과학을 훨씬 앞서가고 있는 셈입니다. 원자모형의 발달과정을 다시 한 번 정리해 봅시다.
[원자모형의 발전]
이번엔 가장 간단한 수소원자를 예로 들어 오컬트화학의 수소원자와 어떻게 유사한지, 또는 어떻게 다른지 살펴보겠습니다. 수소는 한 개의 양성자와 한 개의 전자로 이루어져 있습니다. 즉, 한 개의 양성자 그 자체만으로 원자핵이 됩니다. 보어의 원자모형을 기준으로 비교해보면 다음과 같습니다.
[보어의 원자모형과 오컬트화학의 수소원자]
여기서 여러분은 두 원자모형 사이에 큰 차이를 느끼실 겁니다. 우선 오컬트화학의 수소원자엔 전자궤도에 해당하는 구조가 없고, 원자핵이 없는 대신에 작은 구체 여섯 개가 여기저기 흩어져 있습니다. 거의 공통점이라곤 찾아 볼 수 없는 구조입니다.
[쿼크모형과 오컬트화학의 수소원자]
이번엔 양성자의 내부구조를 그려보았습니다. 양성자의 내부에 세 개의 쿼크가 있는 것이 보입니다. 여기서 공통점을 찾을 수 있을까요? 눈에 띄는 것이 한 가지 있긴 한데, 세 개씩의 아누가 들어간 작은 구체들이 역시 세 개의 쿼크가 들어가 있는 양성자와 비슷해 보인다는 것입니다. 쿼크와 아누 모두 궁극입자로 추정되고 있으므로, 이 둘(양성자와 작은 구체)이 동일한 것이라면 이야기는 아주 잘 들어맞습니다. 그러나 유감스럽게도 오컬트화학에는 이런 작은 구체가 무려 여섯 개나 있습니다. 이들이 모두 양성자일 수는 없는 것입니다.
그렇다면 오컬트화학의 수소원자를 원자핵만 묘사한 것으로 보면 어떨까요? 사실 원자에서 원자핵이 차지하는 크기는 극히 작아서, 원자핵에 집중한 투시자들이 전자를 놓쳤을 가능성도 고려해 볼 수 있습니다. 그렇게 되면 오컬트화학에 전자궤도가 묘사되지 않은 이유도 설명이 됩니다. 사실 이 가능성에 주목하는 사람들이 꽤 있었습니다. 저 역시 그랬고, 제가 아는 몇몇 사람도 그랬으며, 다음 장에서 언급하게 될 필립스라는 사람도 그랬습니다. 이 경우 여섯 개의 작은 구체 하나하나를 쿼크로 보는데, 삼각형으로 연결된 세 개의 구체가 하나의 양성자, 또는 하나의 중성자가 되는 셈입니다.
그렇지만 이런 가정 역시 옳지 않음을 알 수 있습니다. 수소의 원자핵은 양성자 하나로 되어 있으므로 쿼크는 세 개면 충분합니다. 그런데 그 두 배의 쿼크가 있습니다. 혹시 양성자는 여섯 개의 쿼크로 이루어져있는 것이 아닐까요? 아니면 원자모형 자체가 잘못되어 있을 가능성은? 저는 이밖에도 오컬트화학의 수소원자가 실은 원자가 아닌 분자일 가능성, 또는 양성자 한 개와 중성자 한 개로 이루어진 중수소의 핵일 가능성도 검토해보았지만 모두 가능성이 없음을 확인하였습니다. 혹시 여러분은 여기서 또 다른 가능성을 보실 수 있으신지요?
결론적으로, 오컬트화학의 원자는 정통과학의 원자모형과 매우 큰 차이가 있으며, 비록 돌턴이나 톰슨의 원자모형과 비교하여 원자에 복잡한 내부구조가 존재한다는 사실을 선구적으로 내다보긴 했으나, 쿼크모형이 제시된 뒤에도 여전히 치명적인 모순이 존재해 오컬트화학은 신지학의 영역을 벗어나지 못했습니다. 더욱이 오컬트화학의 연구방법은 비과학적으로 비쳐질 수밖에 없었으므로 과학자들의 관심을 끈다는 것은 더더욱 기대하기 어려웠습니다. 그렇게 오컬트화학은 오랫동안 신비의 베일 속에 가린 채 수수께끼로 남아있게 되었습니다.
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