지식 더하기 멘델레예프와 주기율표

과학 교실 벽에 언제나 커다랗게 붙어있는 알록달록한 표. 수소부터 우라늄까지 이 세상의 모든 물질을 118개의 블록으로 정리해 놓은 우주의 알파벳, 바로 '주기율표(Periodic Table)'다. 이 표는 단순히 원소들의 이름을 가나다순으로 적어놓은 단순한 출석부가 아니다. 이 표의 가로줄(주기)과 세로줄(족)을 따라가다 보면, 원소들이 어떻게 폭발하고 어떻게 결합할지 그 성질과 운명이 마치 무당의 예언처럼 완벽한 패턴을 그리며 맞아떨어진다. 현대 화학을 하나의 거대한 퍼즐판으로 완성한 이 기적의 지도를 그려낸 사람은, 카드게임을 즐겨 하던 러시아의 괴짜 화학자 '드미트리 멘델레예프(Dmitri Mendeleev)'였다. 세상에 존재하지 않는 미지의 입자들까지 예언해 버린 그의 천재적인 직관과 주기율표의 탄생 비화를 뜯어보자.

원소들의 카드 게임, 규칙을 찾아라

19세기 중반, 화학자들은 금, 은, 산소, 탄소 등 수십 개의 원소(물질의 기본 알갱이)를 발견했지만, 이 원소들이 도대체 무슨 규칙으로 만들어진 것인지 전혀 알지 못했다. 원소들은 그저 뿔뿔이 흩어진 카오스(혼돈)의 파편들이었다. 1869년, 멘델레예프는 당시 발견된 63개의 원소 이름과 원자량(무게)을 카드에 적어놓고, 마치 솔리테어(카드 맞추기) 게임을 하듯 책상 위에 이리저리 늘어놓기 시작했다. 그는 카드를 원자량이 가벼운 것부터 무거운 순서대로 가로로 나열해 보았다. 그러자 소름 돋는 마법이 일어났다. 카드를 쭉 나열하다 보면, 일정한 간격마다(주기적으로) 화학적 성질이 아주 똑같이 닮은 녀석들이 반복해서 나타나는 것을 발견한 것이다. 그는 성질이 닮은 원소들이 같은 '세로줄'에 오도록 카드를 줄 바꿈 하여 정리했다. 우주의 거대한 비밀 패턴(주기성)이 인류의 눈앞에 처음으로 모습을 드러낸 순간이었다.

빈칸을 남겨두는 천재의 대범함

멘델레예프 이전에도 원소들을 묶어보려는 학자들은 있었다. 하지만 그들의 표는 항상 중간에 성질이 안 맞는 녀석들이 튀어나와 엉망진창이 되곤 했다. 멘델레예프가 진정한 천재로 불리는 이유는 바로 '빈칸(Blank)'에 있다. 카드를 나열하다가 세로줄의 화학적 성질이 영 안 맞는 녀석이 나타나면, 멘델레예프는 과감하게 그 자리를 '비워두고' 다음 칸으로 카드를 밀어버렸다. "지금 성질이 안 맞는 이유는 내 표가 틀려서가 아니라, 이 빈칸에 들어가야 할 원소를 인류가 아직 발견하지 못했기 때문이다!" 그는 자신이 만든 규칙을 너무나 확신한 나머지, 빈칸 뒤에 오는 원소들의 자리를 강제로 재배치해 버리는 미친듯한 대범함을 보였다.

에카-알루미늄, 소름 돋는 예언의 적중

심지어 그는 그저 빈칸을 남겨둔 것에 그치지 않고 예언가의 영역으로 넘어갔다. 그는 알루미늄 아래에 비워둔 빈칸을 '에카-알루미늄(알루미늄 다음 것이라는 뜻)'이라고 부르며, 아직 발견되지도 않은 이 유령 원소의 무게(원자량 68), 밀도, 녹는점까지 표의 규칙을 이용해 소수점 단위로 완벽하게 예측하여 논문으로 발표해 버렸다. 과학계는 그를 정신병자 취급하며 비웃었다. 하지만 1875년, 프랑스의 화학자 부아보드랑이 미지의 원소인 '갈륨(Ga)'을 발견하면서 전 세계는 경악으로 입을 다물지 못했다. 갈륨의 성질이 멘델레예프가 예언했던 빈칸의 수치와 소름이 돋을 정도로 완벽하게 똑같았기 때문이다. 심지어 그가 예언했던 에카-규소(게르마늄)와 에카-붕소(스칸듐)까지 줄줄이 예언과 똑같은 스펙으로 발견되면서, 그의 주기율표는 반박할 수 없는 신의 설계도로 격상되었다.

멘델레예프도 몰랐던 진실, 양성자의 등장

멘델레예프는 원소를 '무게(원자량)' 순서로 배열하면서도 왜 이런 규칙이 생기는지 근본적인 이유는 알지 못했다. 훗날 20세기에 들어서 입자 물리학이 발달하고 엑스선이 발명되면서 그 이유가 밝혀졌다. 원소의 정체를 결정하는 것은 무게가 아니라, 원자핵 속에 들어있는 '양성자의 개수(원자 번호)'였던 것이다. 놀랍게도 양성자의 개수로 1번부터 번호를 다시 매겨도 멘델레예프가 무게로 맞춰놓은 퍼즐판과 거의 완벽하게 일치했다. 결국 그의 직관이 원자핵의 내부 구조마저 꿰뚫어 본 셈이다. ![왼쪽에는 무작위 원자의 지저분하고 혼란스러운 더미를 보여주고, 오른쪽에는 완벽하고 예측 가능하며 빛나는 기둥과 행으로 마법처럼 배열되는 동일한 원자를 보여주는 분할 화면](https://image.pollinations.