현대 자연과학에서 다루는 물질은 세 가지 종류예요. 바로 물질의 실체, 장, 진공이지요. 그러나 화학에서는 물질을 실체와 같은 개념으로 보고 기체, 고체, 액체, 플라즈마, 구조가 불특정한 유리, 신기한 액체 결정체 등으로 나누어요. 기존 방식대로 간단하게 설명하자면 물질이란 ‘질량을 가진 실체’를 뜻한답니다. 화학의 역사를 들여다보면 ‘물질’의 개념이 어떻게 진화했는지 알 수 있어요. 화학 원소의 발견은 우리를 둘러싼 세계가 단순구조 물질과 복잡한 구조의 물질로 나뉜다는 사실을 밝혀주었지요.
로버트 보일은 이 문제에 대해 처음으로 연구한 학자들 중 한 명으로, 1661년에 출간된 그의 저서 <회의적 화학자>를 통해 그 중요성을 화학계에 알리는 역할을 했답니다.
영국 과학자 존 돌턴은 화학 원소 구조와 물질의 원자론을 결합시키는 연구를 했어요. 그는 이 실험으로 원소의 원자 질량 표를 만들어서 원소들이 서로 다른 비율로 결합하며 다양한 물질을 만들어낸다는 ‘배수비례의 법칙’을 증명하였지요.
19세기 말에는 약 70%의 원소가 밝혀졌고, 드미트리 멘델레예프를 통해 이 물질들을 마음대로 다룰 수 있게 됐어요. 그가 1869년에 발표한 ‘주기율표’는 원소 결합 비율과 원자핵의 구조에 주기적인 관계가 있다는 사실을 알려 주었답니다.
예상치 못한 발견
1827년 식물학자 로버트 브라운은 현미경으로 식물 수액 속에 있는 꽃가루의 불특정한 움직임을 관찰했어요. 언뜻 보기엔 이 관찰이 물질의 개념과 그다지 관련 있어 보이진 않을 거예요. 하
지만 ‘브라운 운동’이라는 이름이 붙은 이 관찰은 물질 구성 요소 중에 분자가 존재한다는 사실을 뒷받침해주는 매우 중요한 증거가 되었답니다.
오랫동안 브라운이 발견한 꽃가루의 움직임에 대해 제대로 설명할 수 있는 학자가 없었어요. 그러다가 약 100년이 지난 1905년, 당시 물질에 대해 연구하던 알베르트 아인슈타인이 꽃가루가 다양한 방향으로 복잡하게 운동하는 이유는 꽃의 입자가 수액 표면 위에 떠있는 분자와 충돌하기 때문이라는 것을 증명해냈답니다! 하지만 이론적인 계산만으로는 근거가 부족했지요. 실험적 증거가 뒷받침되어야 했어요. 결국 프랑스 물리학자 장 바티스트 페랭이 1908년부터 1913년에 걸친 오랜 실험을 통해 분자가 실재한다는 사실을 증명해냈어요. 고된 실험 연구의 결과였답니다.
그는 먼저 순수한 식물의 수액 추출물을 원심분리기로 분리하여 ‘등황’이라 불리는 노란색 입자를 만들었어요. 0.1그램의 등황 입자가 액체의 표면 위에서 아인슈타인이 발표한 수학적 이론과 정확하게 일치하는 방식으로 움직이는 것을 확인했지 요. 하지만 페랭은 여기서 멈추지 않았어요. 그는 등황 입자를 물에 넣고 몇 달간 관찰하며 움직임이 둔해지는지 확인했고, 결국 입자는 안정된 평형 상태에 이르렀지요. 페랭은 이를 통해 입자들의 분포 방식을 확인할 수 있었고, 분자의 존재를 또 한 번 증명하게 되었어요. 장 바티스트 페랭은 이 공로를 인정받아 노벨상을 수상했답니다.
끈질긴 노력과 인내를 보인 1926년 노벨 물리학상 수상자 바티스트 페랭
물질의 역사는 가장 작은 입자가 더 이상 발견되지 않을 때까지, 또 그 입자들로 이루어진 새로운 원소를 더 이상 만들어내지 못할 때까지 계속 되고 있고 앞으로도 이어질 거예요. 새로운 것에 도전하는 인류의 열망이 사그라지지 않는 한 말이에요.
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