양자역학이 등장한 지 100년 양자역학 해설서는 많지만 만족스러운 책을 못 찾았다면 양자역학 강의실에서 실제로 다루는 내용을 보다 쉽고 친절하게 설명하는 양자역학서를 만나자 오랜 기간 학생들을 가르치면서 과학의 대중화에 관심이 많았던 저자는 일반인들이 쉽게 이해할 수 있는 자연과학 시리즈의 시작으로 양자역학 전반의 역사를 훑을 수 있는 책을 집필했다. 양자역학의 성립 과정을 소상히 밝혀 양자역학의 기본 개념을 쉽게 이해하도록 소개하면서도 양자역학에서 다루는 기본적인 수학적 내용을 통해 양자역학을 실감하도록 구성했다. 이 책은 물리학에 관심 있는 사람이라면 누구든지 흥미를 느낄 만한 도서가 될 것이다. 양자역학이 등장한 지 100년 가까이 되었고 그동안 양자역학에 대한 해설서들이 많이 출판되었지만 아직은 어렵게 느껴지는 것이 사실이다. 저자는 책을 쓰는 동안 현학적 표현을 최대한 배제하고 모든 내용을 일상용어로 친절하게 설명하려고 노력했으며 양자역학의 핵심적인 내용을 소상히 다루면서 양자역학 강의실에서 실제로 다루는 수식들도 한눈에 훑어볼 수 있게 저자들을 배려했다. 《양자역학으로 이해하는 원자의 세계》는 걸출한 과학자들의 뛰어난 능력과 업적을 단지 소개하는 것이 아니라 그런 평가를 할 만한 동의 가능한 근거와 함께 독자의 공감을 조목조목 이끌어낼 수 있는 과학 교양서의 역할을 톡톡히 해줄 것이다. * 책속으로 추가 양자역학이 등장한 지 100년 가까이 되었다. 그동안 양자역학에 대한 해설서들이 많이 출판되었다. 이 책을 쓰면서 가장 고민한 것이 기존 해설서와의 차별성이다. 이미 나와 있는 해설서와 비슷한 책 한 권을 더하는 것으로는 이 책이 있어야 할 의미를 찾기 힘들다고 생각했다. 그래서 이 책을 쓰는 동안 가장 신경 쓴 일이 친절한 책을 만드는 것이었다. 독자들과 저자 사이를 갈라놓는 현학적 표현을 가급적 배제하고 모든 내용을 일상용어로 친절하게 설명하려고 노력했다. 가급적 양자역학에서 다루는 수식을 요약해 포함시키면서도 친절한 책을 만드는 것은 쉬운 일이 아니었지만 친절한 책을 쓰겠다는 처음의 의도는 전체적으로 잘 반영되었다고 생각한다. 그러나 두 마리 토끼를 잡는다는 것은 역시 어려운 일이었다. 그 일이 어려우리라는 것은 처음부터 예상하고 있었지만 이 책을 쓰면서 수차례 실감해야 했다. 여러 번 원고를 수정하고, 첨가하고 삭제한 끝에 이 책을 마무리하면서 적어도 몇 년 전에 친구에게 보내주었던 10여 권의 양자역학 책들보다는 좀 더 나은 책을 만들었다는 생각이 든다. 이것이 나 혼자만의 생각이 아니었으면 좋겠다. 나는 이 책을 그 친구에게 보내며 이전에 보냈던 책들은 읽지 말고 이 책을 읽으라고 이야기해줄 생각이다. 그 친구가 아직도 양자역학에 대해 알고 싶다는 생각을 가지고 있었으면 좋겠다. 2016년 2월 곽영직

머리말 4 제1부 더 쪼갤 수 없는 원자 11 1. 원소의 기원 12 2. 4원소설의 종말 22 3. 돌턴의 원자론 39 4. 원소 스펙트럼 47 5. 주기율표의 발견 59 6. 원자의 세계로 이끈 발견들 67 제2부 양자화된 물리량 87 7. 흑체복사와 양자화된 에너지 88 8. 광전효과와 광양자설 99 9. 초기의 원자모형 115 10. 보어의 원자모형과 고전 양자론 124 11. 드브로이의 물질파 이론 148 12. 파울리의 배타 원리 159 제3부 양자물리학의 성립 167 13. 하이젠베르크와 행렬역학 168 14. 슈뢰딩거방정식 182 15. 파동함수의 확률적 해석 203 16. 불확정성원리 211 17. 제5차 솔베이 회의와 코펜하겐 해석 220 18. 광자 재판과 슈뢰딩거의 고양이 그리고 EPR 역설 236 제4부 양자역학으로 들여다본 원자의 세계 251 19. 양자물리학을 위한 간단한 수학식 252 20. 1차원 퍼텐셜과 터널링 효과 268 21. 조화진동의 양자역학적 해석 285 22. 수소형 원자 294 23. 섭동이론 313 24. 양자역학과 주기율표 329 25. 원자핵의 에너지 구조 358 책을 마무리하면서 381 원고를 읽고 386 찾아 보기 388

머리말 몇 년 전, 30여 년간 군에서 복무하다가 전역한 고등학교 동창으로부터 뜻밖의 전화를 받았다. 그 친구는 양자역학을 잘 설명한 책이 있으면 소개해달라고 했다. 내가 가지고 있는 책들을 뒤져 양자역학과 관련된 책 10여 권을 그 친구에게 보냈다. 그러나 책을 보내놓고도 마음이 편하지 않았다. 그 친구가 읽을 만한 책을 보냈다는 생각이 들지 않았기 때문이었다. 물리를 공부하지 않은 사람들이 읽으면서 양자역학을 제대로 이해할 수 있는 책을 보내주고 싶었지만 좀처럼 마음에 드는 책을 찾을 수가 없었다. 물리학을 공부하지 않은 사람들에게는 너무 어려울 것이라는 생각에 수식을 모두 제거해버린 양자역학 책은 알맹이 없는 책이 되어 양자역학의 핵심에 다가가지 못하고 변죽만 울리다가 만다. 그런 책으로는 양자역학에 대한 간단한 개념 정도는 이해할 수 있겠지만 실제로 양자역학이 과학에서 어떤 역할을 하는지, 그리고 원자를 어떻게 설명하고 있는지 알기는 어렵다. 그렇다고 양자역학에서 사용하는 수식이 잔뜩 들어가 있는 책은 양자역학의 기본 개념을 이해하는 데 별 도움을 주지도 못하면서 책 읽기를 시작하자마자 포기하도록 만든다. 그런 책들은 마치 양자역학은 특별한 사람들을 위한 역학이니 접근할 생각은 하지 말라는 경고를 하고 있는 것 같다. 복잡한 수식은 양자역학을 본격적으로 공부하는 사람들에게나 필요하다. 양자역학의 변죽만 울리지도 않고, 복잡한 수식 때문에 질리지도 않는 양자역학 책을 만들 수는 없을까? 그때부터 양자역학의 내용을 일목요연하게 알 수 있도록 하는 책을 만드는 일이 나에게 주어진 숙제가 되었다. 그러나 기회 있을 때마다 자료를 모으면서도 본격적으로 책을 쓰는 작업은 시작하지 못했다. 좀 더 준비가 필요할 것 같다는 생각 때문이었다. 하지만 이제 더 이상 미룰 수 없는 시점까지 이르게 되었다. 지난해부터 본격적으로 이 일을 시작한 것은 계속 미루다간 결국 해내지 못하고 말 것이라는 초조함 때문이었다. 가능하면 양자역학이 성립되는 과정을 소상히 밝혀 양자역학의 기본 개념을 알 수 있도록 하면서 양자역학에서 다루는 기본적인 수학적 내용을 소개해 양자역학을 피부로 실감할 수 있는 책을 만드는 것이 목표였다. 양자역학은 원자 세계를 이해하기 위한 역학이다. 원자가 내는 스펙트럼의 종류와 세기를 설명하고, 주기율표가 만들어지는 이유를 설명하기 위한 노력의 결과로 얻어진 것이 양자역학이다. 원자보다 작은 세계는 우리가 경험을 통해 알고 있는 것과는 다른 물리법칙에 의해 움직이는 세상이다. 따라서 우리가 알고 있는 경험 세계의 언어로 원자의 세계에서 일어나는 일들을 설명하는 데는 한계가 있다. 원자의 세계에서 일어나는 일들을 일목요연하게 설명할 수 없는 것은 설명하는 능력이 모자라서가 아니라 원자 세계에서 일어나는 일들이 일목요연하지 않기 때문이다. 그러나 수학을 이용하면 좀 더 명확하게 원자 세계에서 일어나는 일들을 설명할 수 있다. 따라서 양자역학을 이야기할 때 수식을 피할 수는 없다. 그러나 수식에 익숙지 않은 사람들에게는 복잡한 수식이 오히려 넘을 수 없는 장벽을 마주한 것 같은 느낌만 들게 할 뿐이다. 따라서 양자역학의 전체적인 내용을 파악하기 위해서는 적당한 타협이 필요하다. 양자역학의 핵심적인 내용을 소상히 다루면서도 양자역학 강의실에서 실제로 다루는 수식들도 한눈에 훑어볼 수 있도록 함으로써 양자역학을 실감할 수 있게 하는 것이다. 이 책에서는 양자역학이라는, 우리의 상식으로 이해할 수 없는 역학이 성립하는 과정을 자세히 다뤘다. 따라서 양자역학과 관련된 많은 사람들의 이야기가 나온다. 20세기 초에 양자역학을 만들던 과학자들의 고민과 갈등 그리고 성취에 동참하여 함께 양자역학의 개념을 만들어가려고 시도해보았다. 그리고 ‘알면 더 재밌는 이야기’에는 대학의 양자역학 강의실에서 실제로 다루는 내용을 요약하여 정리했다. 복잡한 표기법은 가능한 한 피하면서도 핵심적인 내용을 빼놓지 않으려고 노력했다. 그런 까닭에 복잡한 계산 과정을 생략하고 풀어야 할 문제와 최종 해답만 제시한 경우가 많지만 그것만으로도 양자역학에서 어떤 문제들을 어떻게 다루는지 충분히 실감할 수 있을 것이다. 양자역학은 원자를 이해하기 위한 역학이므로 원자의 전자구조를 통해 주기율표가 만들어지는 과정까지, 그리고 원자핵의 에너지 껍질 이론까지를 자세히 다루어 양자역학이 원자 내부 구조를 어떻게 밝혀냈는지를 알 수 있도록 했다.