도서 소개

<노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학> 시리즈 12번째 책으로, 러더퍼드의 원자모형 탄생부터 채드윅의 중성자 발견, 유카와의 중간자 예언, 파월 그룹의 파이 중간자 발견까지, 원자핵의 비밀을 풀어가는 물리학자들의 치열한 연구 과정이 핵물리학의 역사와 함께 흥미진진하게 펼쳐진다. 저자인 정완상 교수는 이론물리학자이자 물리학과 교수로서 30년 이상 쌓아온 경험을 바탕으로 물리학도를 비롯해 물리학에 관심을 지닌 독자, 일반 독자들을 대상으로, 이 책을 통해 노벨상 수상자들의 오리지널 논문을 접하는 특별한 즐거움을 선사하고 있다. 2008년 자발적 대칭 붕괴로 노벨 물리학상을 받은 일본의 난부 요이치로 박사와의 인터뷰 형식을 빌린 도입부는 동아시아 최초이자 일본인 최초로 노벨 물리학상을 받은 유카와 히데키의 핵력 이론에 대해 짧게 설명하며 책의 흐름을 개괄적으로 파악하도록 했다.이어, 원자핵의 발견부터 우주방사선 발견, 알파붕괴, 베타붕괴 이론과 함께 유카와의 노벨상 수상을 가능하게 한 일본 물리학의 변천 과정, 어린아이들의 캐치볼 놀이에서 핵력 이론에 대한 아이디어를 떠올린 유카와의 연구 과정과 논문 내용을 소개한다. 무엇보다 이 책은 저자를 대변하는 정교수와 독자 입장에서 정교수에게 질문을 던지는 물리군의 대화 형식을 빌려 일대일 수업을 듣는 듯 친절하고 정교하게 구성된 것이 특징이다. 부록에는 핵마법수에 대한 메이어 논문, 알파붕괴에 대한 가모프 논문, 핵력에 대한 유카와, 그리고 하이젠베르크의 논문을 실었다. 저자는 특히 이론물리학의 천재로 불리는 가모프의 논문에 대해 ‘아름답다’라고 표현한다. 이와 함께 노벨 물리학상, 화학상 수상자 목록을 실어 더 깊은 탐구와 이해로 세계로 안내한다.

  출판사 리뷰

러더퍼드의 원자핵 발견에서 유카와의 중간자 이론까지
원자핵의 세계를 연 물리학자들, 세상을 바꾸다

★ 전국과학교사모임 추천
★ 일대일 친절한 과학 수업
★ 이공계 진학 예정자 필독서
★ 노벨상 수상자 논문 영문본 수록

원자핵의 비밀을 풀어가는 흥미로운 여정!

<노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학> 시리즈 12번째 책으로, 러더퍼드의 원자모형 탄생부터 채드윅의 중성자 발견, 유카와의 중간자 예언, 파월 그룹의 파이 중간자 발견까지, 원자핵의 비밀을 풀어가는 물리학자들의 치열한 연구 과정이 핵물리학의 역사와 함께 흥미진진하게 펼쳐진다. 저자인 정완상 교수는 이론물리학자이자 물리학과 교수로서 30년 이상 쌓아온 경험을 바탕으로 물리학도를 비롯해 물리학에 관심을 지닌 독자, 일반 독자들을 대상으로, 이 책을 통해 노벨상 수상자들의 오리지널 논문을 접하는 특별한 즐거움을 선사하고 있다. 2008년 자발적 대칭 붕괴로 노벨 물리학상을 받은 일본의 난부 요이치로 박사와의 인터뷰 형식을 빌린 도입부는 동아시아 최초이자 일본인 최초로 노벨 물리학상을 받은 유카와 히데키의 핵력 이론에 대해 짧게 설명하며 책의 흐름을 개괄적으로 파악하도록 했다. 이어, 원자핵의 발견부터 우주방사선 발견, 알파붕괴, 베타붕괴 이론과 함께 유카와의 노벨상 수상을 가능하게 한 일본 물리학의 변천 과정, 어린아이들의 캐치볼 놀이에서 핵력 이론에 대한 아이디어를 떠올린 유카와의 연구 과정과 논문 내용을 소개한다. 무엇보다 이 책은 저자를 대변하는 정교수와 독자 입장에서 정교수에게 질문을 던지는 물리군의 대화 형식을 빌려 일대일 수업을 듣는 듯 친절하고 정교하게 구성된 것이 특징이다. 부록에는 핵마법수에 대한 메이어 논문, 알파붕괴에 대한 가모프 논문, 핵력에 대한 유카와, 그리고 하이젠베르크의 논문을 실었다. 저자는 특히 이론물리학의 천재로 불리는 가모프의 논문에 대해 ‘아름답다’라고 표현한다. 이와 함께 노벨 물리학상, 화학상 수상자 목록을 실어 더 깊은 탐구와 이해로 세계로 안내한다.

★ 전국 과학교사모임 추천 ★ 시민 과학 시대 필독서
★ 이공계 진학 예정자 필독서 ★ 세계 최초로 노벨상 수상자의 오리지널 논문을 다루는 책
★ 일대일 친절한 과학 수업 ★ 오리지널 논문 영문본 수록

어린아이들의 캐치볼 놀이에서 핵력 아이디어 떠올려
동아시아인 최초이자 일본인 최초로 노벨 물리학상 수상
이 책에서 가장 핵심이 되는 이론은 동아시아인 최초이자 일본인 최초로 노벨 물리학상을 받은 유카와 히데키의 중간자 예언과 핵력 이론이다. 유카와는 힘이란 상호작용이므로 두 개 이상의 물체에 대해 정의된다고 생각했다. 유카와가 퇴근길에 아이들이 캐치볼을 하는 모습을 보고 핵력에 대한 아이디어를 떠올렸다는 유명한 일화가 있다. 이렇게 중요한 연구를 하고 있을 때는 아이들의 놀이로부터도 귀중한 힌트를 얻을 수 있다는 사실이 새삼 놀랍다. 유카와는 두 소년이 계속 놀 수 있는 것은 그들이 서로 던지는 캐치볼 때문이라고 생각했다. 이 공의 특징에 따라 힘의 종류가 결정된다는 것이 유카와의 생각이었다. 공이 가벼우면 힘이 먼 데까지 작용하지만 공이 무거우면 힘이 가까운 곳에서만 작용한다. 핵력은 가까운 곳에서 작용하므로 캐치볼에 대응되는 입자가 비교적 무거워야 한다고 생각했다. 유카와는 이 입자를 ‘중간자’라고 불렀다. 그리고 1947년 영국의 물리학자 파월에 의해 중간자가 발견됨으로써 유카와의 핵력 이론이 증명되었다. 이로써 유카와는 1949년 노벨 물리학상을 받았다. 하나하나의 이론이 탄생하기까지 과학자들이 얼마나 많은 창의적인 생각과 실험 속에서 새로운 것을 발견하였는지 안다면 더 이상 과학이 암기해야 할 학문으로 끝나지는 않을 것이다. 더 많은 이들이 과학 분야의 연구에 관심을 두고 불굴의 의지로 연구에 뛰어들어 우리나라에서도 노벨 과학상 수상자가 탄생했으면 하는 저자의 바람이 이 책을 통해 더 많은 독자의 가슴에 와닿기를 소망한다.

핵물리학의 아버지 러더퍼드에서 중간자를 발견한 파월까지
원자핵을 둘러싼 과학자들의 좌절과 고난, 영광의 순간들
이 책에는 많은 과학자가 등장한다. 그들의 출생 과정과 시대 배경, 과학에 흥미를 느끼게 되는 계기, 연구 과정에서 맞부딪친 좌절과 고난, 마침내 거머쥐게 되는 탁월한 연구 성과와 그 의미 등은 과학에 문외한이었던 이들까지 끌어들일 만큼 흡인력이 있다. 과학자들의 생애를 훑는 과정에는 그들의 실제 모습과 관련 사진을 수록해 독자들의 이해를 돕는다. 가장 먼저 등장하는 과학자는 원자모형 논문을 발표한 러더퍼드이다. 그는 실험을 통해 원자핵을 발견했으며, 이후 원자핵의 신비를 풀려는 과학자들의 시도가 잇따랐다. 즉 핵물리학이 시작된 것이다. 이것이 그를 핵물리학의 아버지라고 부르는 이유다. 핵물리학에 있어 1930년대는 매우 중요한 시기로, 이때 미국의 앤더슨이 양전자를, 영국의 채드윅이 중성자를 발견한다. 양전자는 양의 전기를 띤 전자라는 뜻으로, 전자와 질량, 전하량의 크기는 같지만 전하의 부호가 반대인 입자이다. 또 중성자는 전기적으로는 중성을 띠고 양성자보다 약간 무겁지만 거의 비슷한 질량을 가진 핵자인데, 중성자의 발견으로 원자핵의 모습이 정확하게 알려지게 된다. 여성 과학자로서 퀴리 부인에 이어 두 번째로 노벨 물리학상을 받은 메이어는 ‘엄청나게 많은 양성자와 중성자들이 원자핵에 존재하는데도 원자핵은 어떻게 그렇게 안정적일 수 있는가?’ 하는 의문을 품었다. 그리고 옌센과 함께 마법수를 연구하여 완벽한 핵 껍질 모형을 만들었다. 특히 저자가 주목하는 물리학자는 러시아의 가모프다. 가모프는 알파붕괴 이론, 별의 탄생이론, 빅뱅 이론 등 수많은 업적을 남겼으며, 물리 대중화에도 앞장섰다. 그는 중성자가 발견되기 전에 핵자들이 모여 원자핵을 이루는 모습이 마치 물 분자들이 모여서 물방울을 만드는 모습과 비슷할 것으로 생각했다.

한국이 과학 강국으로 전 세계에 우뚝 서는 날
한국인 최초의 노벨 과학상 수상자도 탄생할 터
저자는 이 책을 고등학교 수준의 수식을 아는 수학 능력을 가진 사람을 목표로 했다고 하지만 과학에 흥미를 지닌 초등학교 고학년부터 중·고등학생, 일반인은 물론 과학 분야 전문가까지 폭넓은 독자층을 아우른다. 많은 수식이 등장하기는 하지만 수식을 다 이해하지 못해도 전체 내용을 이해하는 데는 무리가 없다. 저자는 핵물리학이 얼마나 많은 과학자들의 땀과 의지로 오늘날까지 발전해 오게 되었는지에 방점을 두어 설명하고 있기 때문이다. 이 책을 접하는 독자들이 핵물리학에 관심을 두고 이 분야에 기둥이 될 인재로 성장해 나간다면 과학 강국으로서 대한민국의 미래 또한 밝지 않을까? 오늘날 많은 노벨 과학상 수상자를 배출한 일본이 이미 메이지 유신 때부터 젊은이들을 미국이나 유럽으로 보내 물리학을 공부하게 했다는 내용을 접하면서 한국인으로서 마음이 아프지 않은 이는 드물 것이다. ‘일본 사람들도 서양 사람들처럼 독창적인 과학 연구를 할 수 있을까? 서양 사람들은 오랜 세월 동안 과학 연구를 해왔고 일본의 연구 역사는 짧은데 이것이 가능할까?’ 했던 19세기 말 나가오카 한타로의 고민은 이후 일본 물리학의 괄목할 만한 발전을 가져왔고, 1949년 일본 최초의 노벨 물리학상 수상으로 이어진다. ‘이미 늦었다고 생각한 때가 가장 빠른 때’라는 말이 있듯 한국 물리학계의 괄목할 성장은 지금부터일지 모른다. 대한민국이 과학 강국으로 우뚝 서는 그 날까지 <노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학> 시리즈는 과학 꿈나무를 비롯한 모든 이들의 든든한 밑거름이 될 것이다.

원자핵 중에서 가장 작은 수소의 원자핵은 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 입자인데, 이것을 ‘양성자(proton)’라고 부른다. 양성자의 전하량 크기는 전자와 같으나 전자가 음의 전기를 띠는 반면, 양성자는 양의 전기를 띤다. 양성자의 질량은 전자 질량의 1,840배 정도로 무겁다.

1932년 미국의 앤더슨은 안개상자를 통해 우주방사선을 연구하던 중 전자와 질량과 전하량의 크기는 같지만 전하의 부호가 반대인 입자를 발견했다. 이 입자는 1928년 이론물리학자인 영국의 디랙(Paul A. M. Dirac, 1902~1984, 영국, 1933년 노벨 물리학상 수상)이 예언한 입자였는데, 양의 전기를 띤 전자라는 뜻으로 ‘양전자(positron)’라는 이름이 붙었다.

1932년의 두 번째 중요한 발견은 중성자의 발견이야. 영국의 채드윅(James Chadwick, 1891~1974, 영국, 1935년 노벨 물리학상 수상)이 발견했지. 중성자는 전기적으로 중성이고 양성자보다 약간 무겁지만 거의 비슷한 질량을 가지고 있어.

  작가 소개

지은이 : 정완상
과학에 대한 호기심으로 서울대학교 무기재료공학과에 다녔고, 물리를 향한 마음이 더욱 커져 한국과학기술원(KAIST)에서 이론물리학을 전공하며 석박사 학위를 받았다. 30세에 경상국립대학교 물리학과 교수가 되어 학생들에게 물리 사랑을 전파하고 있다. 초심을 잃지 않기 위해 꾸준히 연구하며 현재까지 국제 학술지(SCI 저널)에 300여 편의 논문을 게재했다. 직접 만나는 학생뿐만 아니라 더 많은 학생들에게 과학과 수학의 즐거움을 알려주고자 책을 통해 독자를 만나고 있다. 〈과학자가 들려주는 과학 이야기 시리즈〉 중 《아인슈타인이 들려주는 상대성 이론 이야기》를 비롯한 31권과 〈과학공화국 법정 시리즈〉 50권을 집필했다. 최근에는 중학교에서도 통하는 초등수학을 카툰으로 그린 〈개념 잡는 수학툰 시리즈〉를 출간했고, 노벨상 오리지널 논문을 쉽게 풀어낸 〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈〉를 집필 중이다. 우리나라의 노벨 과학상 수상자가 쏟아져 나오기를 바라는 마음에서 네이버 카페 〈정완상 교수의 노벨상-오리지널 논문 공부하기〉를 운영하기 시작했다.

  목차

추천사
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
아시아 최초로 노벨상의 영광을 안은 유카와 _ 난부 요이치로 박사 깜짝 인터뷰

첫 번째 만남 : 원자핵의 모양
원자핵의 발견_전자와 함께 원자를 구성하는 미세한 입자
우주에서 온 방사선_우주방사선 발견으로 노벨상 받은 헤스
윌슨의 안개상자 발명과 뮤온의 발견_멋진 안개상자가 해낸 일들
거품상자의 발명_입자의 질량을 알아내다
새로운 입자 발견의 시대_양성자와 중성자의 발견
핵의 결합에너지_4개의 수소 핵은 헬륨 핵 하나보다 무겁다
핵의 물방울 모형 _핵마다 결합에너지는 달라진다
마법수의 발견 _메이어와 옌센, 완벽한 핵 껍질 모형을 만들다
미분 방정식 _등식을 만족하는 미분을 포함한 방정식

두 번째 만남 : 알파붕괴 이론
시간 의존, 시간 비의존 슈뢰딩거 방정식_양자역학의 비밀을 풀다
슈뢰딩거 방정식의 경계조건_양자역학은 확률게임이다
퍼텐셜 계단_양자의 신비가 궁금해!
가모프의 논문 속으로 I_양자터널링으로 알파붕괴 이론 설명
가모프의 논문 속으로 II_슈뢰딩거 방정식의 근사해를 구한 과학자들
알파붕괴 이론_알파입자가 밖으로 투과되다

세 번째 만남 : 베타붕괴
베타붕괴의 발견_중성자가 양성자로 바뀌면 일어나는 일
체렌코프 효과_세 명의 과학자가 빚어낸 아름다운 하모니
뉴트리노의 발견_뉴트리노로 노벨상을 거머쥔 과학자들
페르미의 베타붕괴이론_베타붕괴에서 방출되는 최종 에너지값은?

네 번째 만남 : 핵력을 발견한 유카와
일본 물리학의 시작_겐지로, 한타로, 니시나가 끼친 업적
아시아 최초의 노벨상_유카와 히데키, 중간자 이론을 발표하다
맥스웰 방정식과 로렌츠 게이지_벡터와 전기 퍼텐셜의 재미있는 성질
유카와의 중간자 예언_중간자의 질량을 계산하다
유카와의 논문 속으로_유카와 퍼텐셜이 궁금해!
파이 중간자의 발견_피레네산맥에서 발견한 한 장의 사진

만남에 덧붙여
Quantum Theory of the Atomic Nucleus_가모프 논문 영문본
On Closed Shells in Nuclei Ⅱ_메이어 논문 영문본
On the Interaction of Elementary Particles_유카와 핵력 논문 영문본
The Yukawa Theory of Nuclear Forces in the Light of Present Quantum
Theory of Wave Fields_하이젠베르크 논문 영문본
위대한 논문과의 만남을 마무리하며
이 책을 위해 참고한 논문들
노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다
노벨 화학상 수상자들을 소개합니다

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