주기율표를 뺀 화학 수업

우리 주변에서 만나는 물질의 화학적 성질은 원자가 가지고 있는 '전기적 특성'에 의해 결정됩니다. 그 이유는 자연계에 존재하는 4가지 기본힘 중에서 적절히 강한 힘이면서 동시에 원거리 힘인 전자기력만이 우리가 일상에서 접하는 물리 현상을 지배할 수 있기 때문입니다. 핵력의 경우 더 세지만 오직 매우 짧은 거리에서만 유효하고, 중력도 무시할 정도로 약합니다.

예를 들어 수소 원자의 경우 핵과 전자가 전자기력에 의해 결합한 상태로 그 결합에너지는 13.6 eV 이며 해당 에너지의 빛을 쏘여주면 수소 원자는 핵과 전자로 분리시킬 수 있습니다. 그리고 그 조성이 가장 간단하기 때문에 모든 원자들 중에서 가장 가벼우며 또 우주에서 가장 흔한 원소를 이룹니다. 미세 구조(Fine structure)를 고려한 수소원자의 에너지 준위는 아래와 같습니다.

여기서 n는 소위 '주양자수(principal quantum number'로 1,2,3...이렇게 나가는 정수입니다. 보시듯 n이 에너지 준위를 '거의' 결정 짓습니다. 수식에서 j는 각운동량을 나타내는 양자수로 좀 더 자세히는 소위 '오비탈 양자수 (orbital qauntum number)' L, 전자 각운동량의 z-축(각운동량 방향) 성분 m, 그리고 전자의 스핀 s 등으로 결정됩니다.

정리하면, 원자의 '상태'는

(n, L, m, s)

4가지 숫자의 순서쌍으로 결정되게 됩니다. 이것이 양자역학이 말해주고 있는 원자의 모습인 것이죠.

상당히 복잡한 것 처럼 보이지만 원자의 에너지 준위와 상태가 거의 완전히 전자기력에 의해 결정되며, 오직 4개의 양자수로 (실은 '주양자수'와 '각운동량 양자수' 두 종류의 양자수죠!) 완전히 기술된다는 것은 매우 놀라운 입니다. 그리고 주양자수와 각운동량 양자수의 규칙성으로부터 '주기성'이 생기며 이를 통해 우리는 '주기율표'의 숨은 진실을 이해하게 됩니다.

위에 기술한 내용은 제가 고등학교에서 배운 내용입니다. 물론 정확하게 위 처럼 배운 것은 아니지만 '주기율표'를 '오비탈'과 '양자수' 개념으로 이해할 수 있다는 것을 배운 것은 사실입니다.

그래서?

저는 주기율표를 통해 뭔가를 배웠습니다. 그런데 제가 배운 것은 주기율표에 나온 원소기호와 이름 그리고 그 화학적 성질을 외는 능력을 배운 것이 아니라, 원자 세계에 통용되는 양자역학적 세계관과 과학 법칙의 정합성 그리고 그것을 이용하여 화학 현상을 이해하는 '과학이라는 알고리듬'을 배운 것입니다.

주기율표 혹은 구구단을 외는 능력도 물론 '지적 능력'의 범주에 속한다고 생각합니다. 하지만 실제로 우리가 화학과 물리학 등 기초과학을 배우면서 배우게 되는 것은 '과학이라는 프로세스' 라고 생각합니다. 합리적이고, 정합적이며, 객관적인 방법을 이들 과목을 통해 배워야 하는 것이죠.

최근 과학교육에 대한 정보를 접하면서 우리 사회가 과학교육의 목표에 대해 뭔가 단단히 착각을 하고 있는 것이 아닌가 하는 생각이 들 때가 있습니다.

저도 `과학적 지식'은 나중에 배워도 된다고 생각합니다. 당뇨에 걸리기 전 부터 당뇨병의 식이요법에 대해 자세히 배울 필요는 없다고 생각하거든요. 하지만 '병' 이 생긴다는 것은 생물학적 프로세스이며 그것이 주술적인 방법으로 치유될 수 없다는 것을 확신할 수 있도록 배워야한다고 생각합니다.

학생들의 흥미를 일으키는 과학교육. 물론 중요합니다. 하지만 아직도 `커플들을 위한 타로점' 따위를 보러다니고, `이달의 별자리 운세'를 자기 블로그와 미니홈피에 옮겨담는 학생들에게 정작 중요한 과학적 사고력과 과학적 접근법을 가르치지 못하고 있다는 반성을 해야할 것입니다.

주기율표가 빠진 화학 수업을 통해 과연 학생들이 화학에 그리고 기초과학에 더 큰 흥미를 가지게 되었는지, 과학교육 정책 입안자들에게 묻고 싶습니다.