노벨상을 받은 위대한 물리학 실험들을 만나다

“노벨상을 받은 과학자들의 생각은 무엇이 달랐을까?” “노벨상 과학자들이 창안한 물리학 실험과 이론은 이해하기 어렵고 복잡한 것일까?” 많은 사람들은 노벨상을 ‘복잡하고 어려운 수식이나 원리를 발견하거나 인류에 공헌할 만한 발명품을 만든 사람’이 받는 것이라고 생각한다. 하지만 지금까지 노벨상 수상 이력을 살펴보면 대개는 단순한 원리에 집중하고 몰입하여 새로운 것을 발견한 사람들에게 수상의 영광이 돌아간 것을 알 수 있다. 저자는 이 책을 통해 노벨상을 받은 과학자들의 생각은 다른 사람들과 어떻게 다른지, 또 그들에게 노벨상을 안겨 준 원리와 실험은 정말 어렵고 복잡한 것인지 밝히고자 한다. 특히 복잡한 수학 공식을 사용하지 않고도 물리학의 발전에 큰 공헌을 한 실험들을 제시하여 물리학의 기본 원리와 실험 과정, 결과를 충분히 살펴볼 수 있다. 이 책은 청소년들에게 물리학에 대한 흥미와 이해를 높이고 노벨상에 대한 꿈과 희망을 가질 수 있도록 도와주는 안내서이다. 새로운 아이디어와 집념으로 과학 노벨상에 도전하라, 노벨상은 그리 멀지 않은 곳에 있다! 1901년 노벨상이 제정된 이후, 아시아 지역에서는 단연코 일본이 가장 많은 노벨상 수상자를 배출했다. 물리학과 화학 분야에서만 17명이 수상했으며, 생리의학상도 5명이나 수상했다. 일본 과학자들이 우리나라 과학자들보다 실력이 뛰어나서일까? 아니면 우리나라의 과학 인프라가 뒤처지는 것일까? 저자는 이 물음에 대한 답을, 책을 쓴 이유에 빗대어 다음과 같이 말한다. 필자의 학창 시절에는 청소년들이 읽을 수 있는 과학에 관한 책이 거의 없었습니다. 어렸을 때부터 여러 현상들에 큰 호기심을 가졌고 그 이유를 알고 싶어 하던 나의 염원의 하나는, 이러한 의문들을 풀어 줄 과학책을 가지는 것이었습니다. 그러나 그때로부터 오랜 시간이 지난 지금도 어린 학생들이 읽고 이해할 만한 과학의 기본 원리를 알기 쉽게 설명한 책은 여전히 찾기가 쉽지 않아 보입니다. 이는 어쩌면 노벨 물리학상이나 화학상, 의학상 등의 수상자들을 계속해서 배출하고 있는 이웃 국가인 일본이나 중국과 달리, 아직 이 분야에서 단 한 명의 수상자도 내지 못하고 있는 우리의 현실과 맞닿아 있을지도 모릅니다. 그리고 이는 우리 민족의 창의력이 그들보다 못한 것이 아니라, 과학의 기본 원리의 중요성에 대한 인식과 이러한 원리를 찾으려는 집념의 부족 때문이 아닌가 생각됩니다. 이러한 이유로 이 책에 노벨 물리학상을 받은 실험들을 중심으로 청소년들에게 중요한 물리학 실험의 원리, 실험을 하게 된 배경, 또 그 실험들이 이룩한 성과 등을 열성을 다해 소개한 것은 나의 세대가 받지 못했던 노벨상(물리학상, 화학상과 의학상)을 다음 세대에는 꼭 받을 수 있는 계기를 마련해 주려는 뜻이 담겨 있습니다. 이 책은 저자가 이야기하듯이 물리학에 큰 공헌을 한 실험들의 배경과 그 원리, 과정과 결과에 대한 지식을 총정리한 것이다. 저자는 매 장마다 실험과 원리를 소개하면서 ‘노벨상은 복잡하고 어려운 실험이나 원리를 발견한 사람이 받는 것이 아니다’라고 강조하고 있다. 또 책을 읽는 독자들이 어렵게 느끼는 물리학을 쉽게 풀어내는 동시에 왜 ‘기본’이 중요한지 알려 준다. 특히 여러 번 기회가 있었음에도 불구하고 노벨상의 영광을 다른 이가 가져가는 것을 본 과학자들의 사례를 들어 아무리 간단한 원리와 실험이라도 가볍게 보지 않고 반복하고 집중하는 과학자의 자세를 본받고 배우기를 권한다. 바꿔 말하면 과학자의 꿈을 키우는 청소년들이 주변을 면밀히 관찰하고 새로운 것을 발견하려 노력하며, 단순한 것도 그냥 지나치지 않는 날카로운 시선을 유지하기를 바라는 저자의 소망이 담긴 책이다. 세상을 바꾼 위대한 과학자들과 과학 실험에 얽힌, 상식을 뒤집는 흥미로운 이야기들! 우리가 지금 스마트폰으로 원하는 것을 검색하고, 웹툰이나 SNS를 즐길 수 있는 것은 모두 물리학 덕분이다. 더 간단하게는 지금 이 책을 읽고 있는 것도 물리학의 발전이 없었다면 불가능한 일이다. 물리학이라는 큰 틀이 존재하지 않았다면 우리가 누리는 풍요로운 환경과 문화는 갖추기 어렵다고 해도 과언이 아니다. 많은 사람들은 문명의 이기를 사용하고 혜택을 받고 있지만 정작 그 안에 숨겨진 과학 원리에 대해서는 큰 관심을 가지지 않는다. 이 안에 담긴 복잡한 작용들이 사실은 지극히 간단한 원리와 실험을 바탕으로 하고 있다는 사실을 아는 사람은 얼마나 될까? 겨우 덧셈과 뺄셈 정도의 사칙연산이 자신이 알고 있는 셈법의 전부라 자신의 발견을 공식으로 정리할 수 없었던 마이클 패러데이. 그의 전자기 유도 현상과 원리가 없었다면 발전기와 변압기는 꿈도 못 꾸었을 일이다. 여러 과학자들이 수도 없이 발견했지만 관심을 가

들어가는 글/ 노벨 물리학상을 받은 주요 수상자들

01 빛의 속도 측정_올레 뢰머
소리보다 빠른 빛 | 갈릴레이의 광속 측정 | 뢰머의 광속 측정 | 뢰머의 방법으로 빛의 속도 계산하기 |광속 측정의 역사적 의미
*알려지지 않은 놀라운 물리 이야기: 코란에 빛의 속도 계산법이 있다?
*인물탐구: 올레 뢰머

02 엑스(X)선의 발견_ 빌헬름 뢴트겐
우연히 발견한, 알 수 없는 빛 X선 | X선의 발견 과정 | 과학자로서의 사명감을 중시한 뢴트겐 | X선관은 어떻게 작동할까?
*알려지지 않은 놀라운 물리 이야기: 뢴트겐보다 먼저 X선을 발견한 사람이 있다?
*인물탐구: 빌헬름 뢴트겐

03 방사선과 방사능_ 앙리 베크렐, 퀴리 부부
방사선의 발견 과정 | 퀴리 부부의 방사능 연구
*알려지지 않은 놀라운 물리 이야기: 탐구력도 모전여전, 이렌 졸리오 퀴리
*인물탐구: 앙투안 앙리 베크렐, 퀴리 부부

04 전자기 유도 현상_마이클 패러데이
산수도 제대로 못하는 과학자? | 뛰어난 실험 화학자, 패러데이 | 전자기 유도의 발견
*인물탐구: 마이클 패러데이

05 전자의 발견_ 조지프 존 톰슨
음극선과 전자 발견의 배경 | 전자 발견에 관한 실험 | 톰슨의 플럼 푸딩 원자 모형
*인물탐구: 조지픈 존 톰슨

06 광전 효과_ 하인리히 헤르츠, 필리프 레나르트, 알베르트 아인슈타인
광전 효과의 발견 | 광전 효과와 빛의 파동 | 광전 효과의 해석과 광양자설 | 광전 효과의 인한 여러 현상 | 광전 효과의 응용 | 복사기와 레이저 프린터의 원리 | 뉴트리노 검출기, 슈퍼 가미오칸데

07 방사선과 안개상자의 발명_ 찰스 톰슨 리스 윌슨
안개상자 발명의 배경 | 안개상자의 개량 | 안개상자 만들기
*인물탐구: 찰스 톰슨 리스 윌슨

08 전자파의 발견과 응용_ 하인리히 헤르츠, 굴리엘모 마르코니
전자기파를 발견한 하인리히 헤르츠 | 무선전신의 배경 | 마르코니와 무선 통신 실험 | 광전 효과와 무선 통신

09 알파입자 산란 실험과 원자 모형_ 한스 가이거, 어니스트 마스덴, 어니스트 러더퍼드
알파입자 산란 실험의 배경 | 알파입자 산란 실험의 과정 | 알파입자 산란 실험의 결과 | 러더퍼드의 원자 모형
*인물탐구: 어니스트 러더퍼드, 한스 가이거, 어니스트 마스덴, 나가오카 한타로

10 프랑크-헤르츠 실험_ 제임스 프랑크, 구스타프 헤르츠
프랑크-헤르츠 실험의 배경 | 프랑크-헤르츠 실험 과정 | 프랑크-헤르츠 실험 결과
*인물탐구: 제임스 프랑크, 구스타프 헤르츠

11 기름방울 실험_ 로버트 밀리컨, 하비 플레처
기름방울 실험의 배경 | 기름방울 실험의 과정 | 과학 실험을 둘러싼 진실 공방
*알려지지 않은 놀라운 물리 이야기: 기름방울 실험에 얽힌 비망록
*인물탐구: 로버트 밀리컨, 하비 플레처

12 진공관의 발명_ 토머스 에디슨, 리 디포리스트
진공관 발명의 배경 | 이극관의 발명 | 이극관의 정류 작용 | 삼극관의 발명 | 삼극관의 정류 작용 | 삼극관의 증폭 작용 | 삼극관의 발진 작용 | 삼극관의 증폭 회로 | 영상 송신의 발전 과정 | 닙코 원판과 영상 분해 | 브라운관의 원리

13 원소 변환과 핵폭탄_ 프레더릭 소디, 엔리코 페르미, 레오 실라르드, 오토 한, 리제 마이트너
원소 변환과 연금술 | 영국: 어니스트 러더퍼드와 프레더릭 소디 | 프랑스: 이렌 졸리오 퀴리와 프레데리크 졸리오 퀴리 | 이탈리아: 엔리코 페르미와 레오 실라르드 | 독일: 오토 한과 리제 마이트너 | 원자핵의 연쇄 반응 | 원자 폭탄의 원리 | 원자로의 작동 원리

14 질량 분석기의 발명_ 조지프 존 톰슨, 프랜시스 애스턴, 아서 뎀프스터, 한스 데멜트, 볼프강 파울, 존 펜, 다나카 고이치
질량 분석기 발명의 배경 | 질량 분석기의 원리
*인물탐구: 다나카 고이치

15 입자 가속기의 발명_ 존 콕크로프트, 어니스트 월턴, 로버트 반데그라프, 롤프 비데뢰, 어니스트 로런스
콕크로프트­월턴 입자 가속기 | 반데그라프와 고압 발생기 | 반데그라프 발전기의 원리 | 반데그라프 발전기의 구조 | 선형 가속기의 발명 | 사이클로트론의 발명 | 사이클로트론의 원리 | 싱크로사이클로트론(싱크로트론)

16 열전기 현상_ 토마스 제베크, 장 찰스 펠티에, 윌리엄 톰슨
열전기 현상의 역사와 제베크 효과 | 펠티에 효과 | 열전기 현상의 미래 | 열전기 현상의 사례

17 트랜지스터와 집적 회로_ 존 바딘, 윌리엄 쇼클리, 월터 브래튼
트랜지스터의 발명 | 트랜지스터의 구조 | 트랜지스터와 트랜지스터라디오

18 초전도 현상과 초전도체_ 헤이커 카메를링 오너스, 존 바딘, 리언 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼
헤이커 카메를링 오너스와 초전도체의 발견 | 마이스너 효과 | BCS 이론 | 조지프슨 효과 | 초전도체의 역사 | 초전도체의 미래

부록_ 편지 해석본
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그림출처

30쪽) 한편으로 많은 회사들이 X선으로 많은 돈을 벌 수 있다며 그에게 접근했지만 뢴트겐은 모든 제안을 거절했습니다. 실례로 독일의 한 유명 회사가 그의 발명에 대한 특허와 계약 등을 권고했지만 다음과 같이 거절했다고 합니다.
“나는 독일 대학 교수들의 훌륭한 전통에 따라 자신의 발견이나 발명은 전 인류에게 속하는 것이므로 어떤 특허나 허가, 계약에 따라 한 곳에 속해 관리되어서는 안 된다고 믿는다.”
X선의 발견으로 일약 스타로 떠오른 뢴트겐. 그가 과학자로서의 사명감을 중시한 덕분에 우리는 의료용 장비나 보안 검색 장비 등 다양한 곳에서 X선을 자유롭게 사용할 수 있게 되었습니다. 38쪽) 베크렐은 음극선이 유리벽에 부딪힐 때 X선이 발생한 것으로 생각하고 눈에 보이지 않는 X선과 인광 물질에서 나오는 눈에 보이는 광선이 어떤 관계가 있는지 조사했습니다. 그는 인광 물질도 태양광으로 자극하면 X선을 발생시킬지도 모른다고 가정하고 검은 종이로 싼 사진 건판(필름)위에 인광 물질을 놓고 햇빛에 쬐었습니다. 그런 다음 인광 물질을 올려놓았던 사진 건판을 현상한 그는 어떤 광선이 검은 종이를 뚫고 사진 건판을 감광시킨 것을 알았습니다. 그는 1896년 2월 24일, 과학 아카데미에서 실험 결과를 발표했습니다. 61쪽) 크룩스가 전자를 물질의 한 상태라고 주장한 것과 달리 톰슨은 전자가 독립된 하나의 입자이며 모든 물질에 공통적으로 들어 있다고 결론지었습니다. 이 업적으로 톰슨은 1906년에 노벨 물리학상을 받았습니다. 사실 톰슨 이전에도 윌리엄 크룩스, 장 페랭, 토머스 에디슨, 니콜라 테슬라와 같은 과학자들이 전자 때문에 일어나는 현상들을 실험적으로 발견했습니다. 특히 에디슨은 전자로 인한 현상을 가장 먼저 발견하고 주위에 보여 주기도 해서 그의 이름을 따 에디슨 효과(고온의 물체에서 전자가 방출되는 현상)로 부르기도 합니다. 83쪽) 복사기와 레이저 프린터도 광전 효과를 이용한 것입니다. 현재 우리가 사용하는 복사기는 1938년에 미국의 체스터 칼슨이 발명한 것을 1950년대 말, 제록스(Xerox)사가 완성한 것입니다. 칼슨은 광도전체의 성질을 이용하여 최초의 복사기를 만들었습니다. 광도전체는 물질에 빛을 비추면 그 세기에 따라 표면의 저항이 줄어듭니다. 바꿔 말하면 어두운 곳에서는 전기 저항이 커지지요. 광도전체를 털로 문지르거나 높은 전압을 걸어 표면을 대전시키면 정전기를 띠게 됩니다.
만약 광도전체가 계속 어두운 상태라면 전기 저항이 크기 때문에 전하들이 새어 나가지 못하고 그대로 오랫동안 남아 있습니다. 하지만 빛을 비추면 저항이 줄어들어 전하들은 접지된 곳으로 흘러 나가버리지요. 이러한 복사 방법은 복사기를 완성시킨 제록스사의 이름을 따 제로그래피(Xerography)라고 합니다. 93쪽) 그는 이 가정을 증명하기 위해 수많은 시행착오를 겪던 중, 독일의 뢴트겐이 발견한 X선으로 실험을 했습니다. 그는 X선이 초기 형태의 안개상자를 지나면서 안개처럼 흐려지는 것을 발견했습니다. X선이나 하전된 입자가 지나간 자리는 전기 전도도가 높아져 사진 필름에도 같은 흔적을 남긴다는 사실이 톰슨과 러더퍼드에 의해서도 밝혀졌지요. 윌슨은 케임브리지 대학교의 제임스 맥스웰 장학생으로 선발되면서 대기 중 정전기에 대한 연구에 더욱 매진할 수 있었습니다. 그 결과 1911년에 처음으로 안개상자 안에 생긴 알파입자와 베타입자의 궤적을 볼 수 있었고 이를 사진으로 찍었습니다. 114쪽) 마르코니의 실험은 멈추지 않았습니다. 1901년 12월, 역사적인 무선송신이 이루어졌습니다. 영국 콘월에서 캐나다 뉴펀들랜드의 세인트존스까지 2,100마일(약 3,300킬로미터)이나 되는 거리에서 무선 송신을 한 것이지요. 그는 세인트존스에서 연에 안테나를 장착한 후 상공 150미터 위로 띄웠습니다. 그리고 잠시 후에 안테나에서 희미한 신호가 잡히는 것을 확인했습니다. 바로 영국에서 보낸 신호였습니다.123쪽) 그는 실험 결과에 따라 전자와 원자핵 사이는 빈 공간일 것이라고 생각했습니다. 그런데 빈 공간에서 전자는 (-)를, 원자핵은 (+)를 가진다면 서로 붙어 버리고 말 것입니다. 그래서 러더퍼드는 전자들이 원자핵에 붙지 않도록 행성 주위를 도는 위성처럼 전자도 돈다고 생각했습니다. 144쪽) 처음에는 밀리컨과 플레처도 물방울을 이용해 실험을 했습니다. 하지만 측정 시간이 길어짐에 따라 물이 증발하거나 크기가 줄어드는 문제가 있었지요. 그래서 밀리컨은 물 대신 증발하지 않는 기름을 사용하기로 했습니다. 사실 나중에 알려진 일이지만 물 대신 기름을 사용하는 것과 측정 방법에 대해서 플레처가 많은 아이디어를 냈다고 합니다. 하지만 이 사실을 둘만의 비밀로 묻어 두고 모든 공을 밀리컨의 것으로 하기로 약속했다는 것이 플레처 사후 밝혀졌지요. 어쨌든 밀리컨은 기름방울 실험으로 1923년에 노벨 물리학상을 수상했고 플레처는 박사 학위를 받았습니다. 158쪽) 가열된 필라멘트를 사용하면 열전자가 발생하므로 음극선관처럼 높은 전압을 걸어 줄 필요가 없습니다. 아주 높은 전압으로 기체를 이온화시켜 전류를 흐르게 할 필요가 없다는 말이지요. 그저 열을 가해 주면 낮은 전압에서도 열전자는 가속되어 전류가 흐릅니다.
교류 대신 주로 직류만 사용하던 에디슨은 이 효과의 원인과 활용법에 대해서는 큰 관심이 없었습니다. 대신 직류를 이용한 실험을 할 때 직류 전압을 조정할 수 있을 거라 생각했고 이에 대한 특허도 신청했습니다. 196쪽) 1942년 12월 2일, 페르미는 우라늄과 흑연을 이용해 시카고 대학교에서 세계 최초의 원자로를 가동시키는 데 성공합니다. 당시 그는 중성자의 속도를 낮추고 흡수하는 재료로 흑연을 사용했고 원자로는 우라늄과 흑연을 층으로 쌓았기 때문에 쌓아올린 더미를 의미하는 piles(파일)이라고 불렀습니다. 그래서 이 원자로는 시카고 파일(Chicago pile 1)이라고 명명되었지요. 이렇게 원자력이 전쟁 무기가 아니라 인류에게 에너지를 공급할 수 있는 또 다른 에너지원으로 탄생한 것입니다. 227쪽) 높은 에너지로 가속된 입자들, 특히 전자들은 거의 광속에 가까운 속도로 움직여서 아인슈타인의 상대성 이론에 따라 질량이 증가합니다. 질량이 증가하면 방금 보았던 사이클로트론 공명이 일어나지 않아 일정한 주파수를 가진 교류 전압으로는 더 이상 가속되지 않습니다. 그러므로 질량이 증가하여 입자들의 속도가 줄어든 만큼, 교류 전압의 주파수를 변화시키거나 자기장의 세기를 질량이 증가함에 따라 변화시켜야 합니다. 이처럼 고속에서도 입자들이 원운동을 할 수 있도록 교류 전압의 주파수 또는 자기장의 세기를 조절하는 사이클로트론을 싱크로사이클로트론(synchro­cyclotron) 또는 싱크로트론(synchrotron)이라고 합니다.232쪽) 펠티에 효과는 1834년, 프랑스의 과학자 장 찰스 펠티에(Jean Charles Peltier)가 발견했습니다. 펠티에는 두 금속의 접점에서 전류가 흐르는 방향에 따라 접점의 온도가 높아지거나 낮아지는 것을 알았습니다. 예를 들어 접점의 한쪽을 (+)로, 반대쪽을 (-)로 연결했을 때 접점의 온도가 올라갔다면, 극을 서로 바꾸었을 때는 온도가 내려가는 것을 발견한 것이지요. 이때 항상 한쪽은 온도가 올라가고 다른 쪽은 온도가 내려갑니다. 이것이 바로 펠티에 효과입니다.241쪽) 1947년, 당시 미국의 벨연구소에서 연구하던 존 바딘(John Bardeen)과 월터 브래튼(Walter Brattain)은 금속과 반도체의 접점에서 전자들의 행동을 연구하고 있었습니다. 당시만 하더라도 광석수신기(광석라디오)가 라디오 수신기로 널리 이용되었습니다. 광석수신기란 작은 금속 광물의 결정에 바늘처럼 뾰족한 끝으로 접촉하면 전파를 검파할 수 있는 장치입니다. 작은 점접촉이 교류인 전자파를 직류로 정류하기 때문입니다. 바딘과 브래튼은 점접촉을 매우 가깝게 연결하고 또 다른 공통 전극을 만들면 한쪽 접점에 흐르는 전류가 다른 접점에 흐르는 전류를 조절하는 것을 발견했습니다. 이것이 바로 세 개의 접점을 갖는 트랜지스터 탄생의 순간입니다. 262쪽) 1987년에는 부도체이자 절연체로서 매우 훌륭한, 초전도체가 될 수 없을 것이라 생각했던 세라믹이 비교적 높은 온도인 절대온도 35도(35K)에서 초전도체로 변해 BCS 이론을 뒤흔들었습니다. BCS 이론에 따르면 절대온도 30도(30K) 이상에서는 초전도체가 존재할 수 없었기 때문이지요. 이 세라믹을 발견한 스위스 IBM의 카를 알렉산더 뮐러와 게오르크 베드노르츠는 바로 다음 해 노벨상을 수상했습니다.
1987년, 미국 앨라배마 대학교의 연구 팀은 뮐러와 베드노르츠의 세라믹 성분 중 란타늄을 이트륨으로 바꾸어 임계 온도를 절대온도 92도(92K)까지 올렸습니다. 이후로도 임계 온도가 더 높은 초전도체들이 속속 발견되어 현재는 수은과 구리에 탈륨을 극소량 합금한 세라믹이 절대온도 138도(138K)에서 초전도성을 보입니다. 이것은 지금까지 발견된 것 중 임계 온도가 가장 높지요.

◆ 이 책의 구성『물리학자의 시선』은 노벨상을 받은 물리학 실험들을 중심으로 구성되어 있다. 총 18장에 달하는 이 책은 물리, 아니 과학에 관심이 없는 사람이라도 상식으로 알아야 할 위대한 실험들이 실려 있다.
1장은 빛의 속도 측정에 관한 것으로 빛의 속도를 최초로 측정하려 시도한 갈릴레이의 실험과 목성과 이오의 일식 주기를 이용해 실제로 빛의 속도를 계산한 올레 뢰머의 이야기를 담고 있다.
2장은 엑스(X)선을 발견한 빌헬름 뢴트겐을 중심으로 발견 과정과 그의 과학자로서의 신념을 여실히 살펴볼 수 있는 일화를 다루고 있다. 특히 다른 과학자들이 음극선 실험을 수도 없이 했음에도 이 놀라운 업적이 뢴트겐에게 돌아간 것을 언급하며 새로운 현상에 대한 과학자의 태도를 고민하도록 한다.
3장은 앙리 베크렐과 퀴리 부부의 방사선과 방사능 연구에 대한 내용이다. 방사선의 발견 과정을 다루는 동시에 퀴리 부부의 새로운 방사능 원소 발견까지 정리하고 있다.
4장은 전자기 유도 현상으로 수학은 거의 하지 못했던 패러데이가 오직 실험과 발견만으로 얼마나 위대한 업적을 이루었는지 알려 준다. 또한 당시 계급이 철저하게 분리되어 있던 영국 사회에서 패러데이가 가난과 역경을 극복하고 연구에 몰입하는 모습을 보여 주어 과학자를 꿈꾸는 독자들이 패러데이의 모습을 본받을 수 있도록 한다.
5장은 물리학과 화학 역사상 뛰어난 발견인 전자의 발견에 관한 것이다. 음극선으로 실험을 하던 과학자들의 결과와 자신의 실험 결과를 모아 조지프 존 톰슨이 전자를 발견했으며, 더 나아가 원자 모형까지 만들었다. 전자의 발견은 물리학뿐 아니라 화학과 생물학, 전자기학 등의 과학 분야에 지대한 영향을 끼쳤다.
6장은 광전 효과에 대한 것으로 아인슈타인이 노벨상을 받도록 한 중요한 실험이다. 광전 효과는 빛의 파동설로는 설명할 수 없어 광양자, 곧 빛의 입자설을 제시하여 해석하였고 이를 이용한 여러 현상들을 나타내 보이게 하고 있다.
7장은 찰스 톰슨 리스 윌슨이 발명한 안개상자를 다룬다. 안개상자는 겉으로 보이기에는 장난감 같지만 이를 이용해 알파입자가 대기 중을 통과하는 모습을 볼 수 있었으며, 우주선과 공기 입자의 반응을 연구한 블래킷의 실험 등으로 수많은 과학자들의 물리학 업적을 달성하는 데 큰 도움을 주었다.
8장은 전자기파의 아버지 헤르츠와 이를 이용해 무선 통신의 발전을 이끈 마르코니에 대한 것이다. 전자기파를 어떻게 발견했는지 하나씩 살펴보고, 마르코니의 무선 통신 실험도 자세하게 소개하고 있다.
9장은 알파입자 산란 실험으로 그동안 알려졌던 원자 모형을 수정하게 만든 내용을 다룬다. 러더퍼드는 가이거, 마스덴에게 수행하도록 권한 실험에서 알파입자가 튕겨져 나오는 것을 보고 그의 스승이 제안한 플럼 푸딩 원자 모형을 개량하여 새로운 원자 모형을 제시한다.
10장은 프랑크­헤르츠 실험의 배경과 과정, 결과를 다룬다. 이 실험은 보어의 이론을 확인하기 위한 것으로 에너지 준위가 다른 원자에도 존재하는지 알아보기 위한 것이었다. 그 결과 들뜬상태의 원자들이 정상으로 되돌아오며 에너지를 빛으로 내보낸다는 사실을 알았고, 결국 보어의 이론을 실험적으로 증명했다.
11장은 밀리컨과 플레처의 기름방울 실험에 대한 것이다. 5장에서 전자를 발견한 톰슨은 질량과 전하의 비만 알았을 뿐 전자 하나의 전하량은 구하지 못했다. 밀리컨과 플레처는 수십 번의 실험을 통해 전하 한 개의 전하량을 구했으나, 플레처가 공동 연구자로 등록되지 못한 이야기를 다룬다.
12장은 에디슨과 디포리스트의 진공관에 대한 내용이다. 실험을 하다 에디슨 효과, 곧 광전 효과를 발견했지만 깊이 연구를 하지 않은 에디슨의 일화와 이극관을 발명한 존 플레밍, 삼극관을 발명한 리 디포리스트의 연구를 담고 있다. 특히 이극관의 정류 작용과 삼극관의 정류, 증폭, 발진 작용을 상세하게 설명한다.
13장은 원소 변환과 핵폭탄을 다룬다. 러더퍼드와 소디, 페르미와 실라르드, 이렌 졸리오 퀴리 부부, 오토 한과 리제 마이트너 모두 원소 변화에 대해 연구했으며, 핵폭탄의 원리에 대해서도 다룬다. 또한 원자력을 이용한 발전 방법에 대해서도 그림과 함께 그 원리를 제시한다.
14장은 음극선관에서의 편향 현상을 바탕으로 만들어진 질량 분석기에 대한 것이다. 질량 분석기의 원리를 비롯해 뎀프스터, 애스턴, 데멜트와 파울 등 질량 분석기로 유기 화합물을 분석하는 새로운 방법을 개발하는 내용을 담고 있다.
15장은 우주의 비밀을 밝혀 줄 입자 가속기에 대한 내용이다. 선형 가속기에서 사이클로트론까지 발명 배경과 원리를 다루고 있는데, 특히 새로운 입자를 발견하고 우주의 역사를 연구하며 의학 분야에까지 활용되고 있음을 일목요연하게 정리하였다.
16장은 열전기 현상에 대한 것으로 다소 생소한 원리를 다룬다. 열전기 현상에 대한 이론 중 가장 유명한 제베크 효과와 펠티에 효과의 원리를 설명하고 앞으로 열전기 현상을 어떻게 사용할 것인지를 이야기한다.
17장은 트랜지스터와 집적 회로에 관한 내용이다. 트랜지스터와 집적 회로는 우리 생활에서 빼놓고 이야기할 수 없는 컴퓨터와 각종 전자 제품의 기초가 되는 발명품이다. 저자는 트랜지스터의 기본 원리를 쉽게 이해할 수 있도록 풀어 쓰고, 이제는 집적 회로에 자리를 넘겨준 트랜지스터의 역사를 살펴본다.
18장은 초전도 현상과 초전도체를 다룬다. 초전도체를 처음 발견한 오너스와 유명한 이론인 BCS 이론, 초전도체의 역사를 이야기한다. 특히 아직도 새로운 초전도체가 발견되며 이론이 제시되고 깨어짐을 반복하고 있으니 새로운 현상을 설명하기 위해 필요한 더 새로운 이론을 창안할 수 있도록 권유한다.