제6권 · Chapter 3 · 2절

2-3. 주기율표의 탄생 — 양자역학이 설명하는 원소의 규칙

멘델레예프의 예언과 남겨진 "왜?"

1869년, 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프(Dmitri Mendeleev)는 당시 알려진 63개의 원소를 원자 질량 순으로 나열하다가 놀라운 패턴을 발견했다. 비슷한 성질이 일정한 간격으로 반복되는 것이었다. 매우 반응성이 큰 금속(리튬, 나트륨, 칼륨...)이 규칙적으로 나타나고, 그 반대편에는 아무것과도 반응하지 않는 기체(네온, 아르곤...)가 규칙적으로 나타났다.

멘델레예프는 이 패턴을 표로 정리했다 — 이것이 주기율표(periodic table)의 탄생이다. 그는 심지어 표의 빈칸을 보고 "아직 발견되지 않은 원소가 이런 성질을 가지고 여기에 들어갈 것"이라고 예언했고, 그 예언은 하나하나 적중했다.

하지만 멘델레예프 자신도, 그리고 이후 반세기 동안 어떤 과학자도 답하지 못한 질문이 있었다:

"왜?"

왜 원소의 성질은 주기적으로 반복되는가? 왜 2개, 8개, 8개, 18개, 18개, 32개... 라는 특정한 숫자 간격으로 패턴이 돌아오는가? 왜 헬륨과 네온은 안정적이고, 리튬과 나트륨은 반응성이 큰가?

멘델레예프의 주기율표는 자연의 패턴을 발견한 것이었지, 설명한 것은 아니었다.

그 설명은 1920년대에 완성된 양자역학 — 정확히 말하면, 이전 두 절에서 배운 양자수와 파울리 배타원리 — 에 의해 비로소 주어졌다. 지금부터 그 이야기를 따라가 보자.