시리즈 | Quantum Chemistry - 0. 양자화학이란?

밖에 나가서 누구든지 한 명 붙잡고 이렇게 물어보자.

양자역학을 한 문장으로 정의해보세요.

아마 이 질문을 들은 사람은 "양자"라는 단어를 듣자마자 머리를 싸매고 괴로워할 것이다. 이렇듯 양자역학 및 양자화학은 일반인들에게 "뭔지는 잘 모르겠지만, 매우 복잡하고 어려운 학문" 이라는 인식이 있고, 실제로도 이해하기에 난도가 높은 학문이기도 하다. 오죽하면 이런 말도 있겠는가.

양자역학을 제대로 이해한 사람은 아무도 없다.
- 리처드 파인만

각설하고, 양자역학이 무엇인지부터 알아보자. 우리에게 매우 친근한 백과사전인 위키피디아에 검색해보면 이렇게 나온다.

양자역학(量子力學, 영어: quantum mechanics, quantum physics, quantum theory)은 분자, 원자, 기본 입자(전자, 소립자 원자핵 등) 미시적인 계의 현상을 다루는 즉, 물리계의 아주 작은 입자들을 연구하는 물리학의 분야이다.
(출처: 양자역학 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전)

근데 왜 미시적인 계의 현상을 거시적으로 해석하듯이 해석하지 않고, 굳이 "양자역학"이라는 학문으로 따로 떼어서 공부할까? 그 까닭은 한 문장으로 정리할 수 있다.전자 단위의 미시 세계에서는 거시 세계에서 당연하게 받아들여졌던 여러 공리들이 성립하지 않기 때문이다.

양자화학이란 이런 양자역학적 원리를 바탕으로 원자와 전자에서부터 분자의 구조까지 화학적인 현상을 이론적으로 설명하는 학문을 말한다. 양자화학을 활용하면 배위 결합 형성 원리와 같이 기존 화학 이론으로 잘 설명되지 않았던 내용을 이해할 수 있어 편리하고, 따라서 양자화학을 이해하는 것은 다양한 화학 현상을 분석하는 데 중요하다.

시리즈의 구성

이 시리즈에서는 양자화학의 주요 내용들을 대략적으로 살펴볼 것이다. 초반부에서는 양자화학을 이해하기 위한 토대인 양자역학이 발생한 과정과 양자역학의 기본적인 내용을 다룬다. 그 후에는 본격적으로 수소 원자와 다전자 원자를 통해 원자를 자세히 다루고, 후반부에서는 분자 오비탈과 군론을 통해 원자 간 결합과 분자의 세계를 다룬다.

시리즈를 읽을 때 주의할 점

양자화학에서는 미시 세계의 입자를 파동함수(아직은 몰라도 됨)로써 해석하기 때문에 다양한 수학 개념이 활용된다. 특히, 미분, 편미분, 미분방정식과 같은 미적분학 개념이 많이 등장하기 때문에, 본 시리즈의 내용을 이해하기 위해서는 고등학교 미적분 + 편미분 내용을 알고 있어야 한다. 글에서 편미분 기호가 등장하더라도 당황하지 말고 차분히 읽어보자.

글을 마무리하면서..

이제 이 시리즈에 관한 개략적인 설명이 끝났다. 자, 숨을 한번 고르고, 이제 양자화학의 세계에 푹 빠져 보자.

첨언) 이 시리즈를 연재하는 필자도 화학을 열심히 공부중인 고등학생이다. 따라서, 불완전하거나 틀린 정보가 있을 수도 있으니, 발견한다면 댓글에 꼭 적어주길 바란다.