10살에 포탄 만든 영재, 방사능물질의 비밀을 밝혀내다
10살에 포탄 만든 영재, 방사능물질의 비밀을 밝혀내다
  • 김종현
  • 승인 2020.10.14 21:10
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대구, 노벨상을 품자 - (34) 자기의 현실 뒤집기부터
영국 물리화학자 ‘어니스트 러더퍼드’
코일 이용한 전자기파 측정기 고안
우라늄방사 알파파·베타파 존재 규명
방사능물질 화학적 성질 규명 공로
1908년 노벨화학상 단독수상자로
미국 화학자 ‘시어도어 리처즈’

원자량 정밀 측정 새로운 기법 창안

칼륨 등 21종 1만5천회 반복 실험

화학원소 원자무게 정확히 알아내

1914년 미국인 최초 노벨화학상

노벨상-우주창조
우주창조의 단서. 그림 이대영

1908년 뉴질랜드 출신 영국 물리화학자 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871~1937)에게 “원소의 분해와 방사능물질의 화학적 성질을 규명한 공로 ”로 단독수상 노벨화학상을 주었다. 그는 뉴질랜드 브라이트워터(Brightwater, New Zealand)에서 태어나 10살 무렵 폭스힐 초등학교(Fox Hill Primary School)에서 과학실험실에 비치된 과학책을 깡그리 읽었고 너무 탐닉해 포탄까지 제작해 가족들이 놀라는 소동까지 있었다.

1883년 12살 때 헤이브룩 초등학교(Heybrook Primary School)로 전학해 배웠다. 16살에 넬슨공립학교(Nelson Public School)에 입학했다. 1889년에 장학생으로 웰링턴의 캔터베리대학교(University of Canterbury)에 입학해 1893년 문학 석사(Master of Arts)과정에서 수학과와 물리학과 수석졸업을 했으며, 같은 해 전자기학에 연구로서 과학학사(Bachelor of Science) 학위를 받았다. 이어 수학, 라틴어, 응용수학, 영어, 프랑스어, 물리학까지 학사학위를 취득했다.

그의 희망은 줄곧 학교교사였으나 3번이나 실패하고 난 뒤에 전자기학에 몰두하기로 결심하고, 1894년에 모교 캔터베리대학으로 돌아와서 지질학과 화학학위를 취득했고, 영국대학원을 지원하는 장학금을 신청했으나 제임스 매클로린(James McLaughlin)에 빼앗겼다. 낙심천만으로 감자밭이 꺼지도록 한숨을 쉬던 그에게 제임스가 의과대학을 가는 바람에 장학금이 그에게 되돌아왔다는 소식을 듣고, 캐던 감자를 던지면서 “이게 내가 캐는 마지막 감자다”고 외쳤다. 그는 장학금(Research Fellowship)을 타서 영국으로 가 캠브리지대학교 트리니티 칼리지(University of Cambridge, Trinity College)에 입학해 1895에서 1898년까지 조지프 존 톰슨(Joseph John Thomson, 1856~1940) 교수의 지도를 받아 코일을 이용한 전자기파 측정기를 고안했다.

철(鐵)에 X레이를 조사(照射)해 성질을 관찰했다. 1898년 캐나다 맥길대학교(McGill University in Montreal, Canada)로 자리를 옮겼다가 다시 캠브리지대학교로 되돌아왔으며, 1901년 뉴질랜드대학(University of New Zealand)에서 박사학위를 취득했다. 1907년에 영국 맨체스터 빅토리아 대학교(Victoria University of Manchester)로 옮겨 물리학과장을 맡았다. 1914년 영국국왕으로부터 기사작위를 수여받았다. 제1차 세계대전 당시 음파탐지로 잠수함의 피격문제를 해결하기 위한 극비프로젝트(top secret project to solve the practical problems of submarine detection by sonar)에 참여했다. 1919년 조지프 톰슨(Joseph Thomson)의 소개로 캐번디시 연구소(Cavendish Lab)의 교수 겸 소장을 역임했으며, 1925년부터 1930년에는 영국 왕립학회 회장(President of the Royal Society)을 맡았다.

그의 주요연구는 ‘고주파 방전에 의한 철의 자기화(Magnetization of Iron by High Frequency Discharge)’를 시작으로, 1897년에 전기장 세기와 철의 요동 그리고 광전효과를 연구했으며, 1898년에 우라늄 방사에서 알파(α)파와 베타(β)파의 존재를 규명했다. 그는 초기연구에 방사능 반감기 개념과 라돈의 방사성 원소(concept of radioactive half-life, the radioactive element radon)를 발견했다. 주요저서로는 1904년 ‘방사능(Radio-activity)’, 1906년 ‘방사성 변환(Radioactive Transformations)’, 1913년 ‘방사성 물질과 방사선(Radioactive Substances and their Radiations)’, 1926년 ‘물질의 전기적 구조(The Electrical Structure of Matter)’, 1933년 ‘원소의 인공변이(The Artificial Transmutation of the Elements)’ 및 1937년 ‘최신 연금술(The Newer Alchemy)’등이 있다.

◇21종을 1만 5천회 이상 반복 정밀측정으로 원자량 산출

1914년, 미국의 화학자 시어도어 리처즈(Theodore William Richards, 1868~1928)에게 수많은 화학원소의 원자무게를 정확하게 판단한 공로를 인정하여 단독수상자로 노벨화학상을 수여했다. 그는 미국 펜실베이니아 저먼타운(Germantown, Pennsylvania)에서 태어나 1883년 14세에 하버포드대학(Haverford College, Pennsylvania)에서 1885년 학사학위를 받았고, 하버드대학교(Harvard University)에서 1886년 과학학사학위를 다시 받았다.

석·박사과정에서 조시아 파슨스 쿠크(Josiah Parsons Cooke, 1827~1894) 교수의 지도를 받아 ‘수소에 대한 산소의 원자량 결정(The determination of the atomic weight of oxygen relative to hydrogen)’ 학위논문으로 1897년에 박사학위를 취득했다.

학문의 우물 안 개구리 현상을 벗어나고자 1898년 가족들과 유럽으로 유학을 떠나 2년간 괴팅겐대학교의 빅토르 메이어(Victor Meyer) 교수의 지도 아래에서 연구를 했으며, 유럽의 유수대학에서도 연구경험을 쌓았다. 1889년 모교 하버드대학(Harvard University)으로 돌아와서 1901년 교수로 발탁되었으며, 1903년에 화학과 학과장, 1912년 월콧 깁스 기념실험실( Wolcott Gibbs Memorial Laboratory) 실장을 역임했다. 1914년에 미국인으로 최초 노벨화학상을 수상했다.

노벨화학상의 기반은 대학교 학문쇼핑(university’s science shopping)이었다. 1894년 벨기에 화학자 스타스(Jean Servais Stas, 1813~1891)가 ‘산소원자량 16’을 기준으로 했던 원자량(atomic weight)이 부정확함을 인지했음에도 수십 년간 그대로 이용해왔다는 사실을 알아냈다. 보다 정확한 원자량 측정을 위한 비탁계(nephelometer)인 석영장치 등 기구를 개발했다. 이렇게 30개의 화학원소 가운데 산소, 은, 염소, 브로민(bromine), 아이오딘(iodine), 칼륨, 나트륨, 질소와 황 등 21종을 무려 1만 5천회나 반복해서 정밀하게 측정했다.

결국 오차를 초래하는 원인으로 i) 원자량 측정에 사용하는 모든 물질에 존재하는 흡습성 수분, ii) 불용성 화합물, 유체에 떠 있는 침전에 들어붙어있는 물질, iii) 결정내부 용매의 내포와 함유, iv) 금속산화물과 다른 고체 내 기체의 함유, v) 여러 실험에 사용하는 기구로부터의 불순물 등이라는 사실을 규명했다. 이런 사실을 알았기에 정밀측량에 극도로 신경을 썼다. 또한 1889년 독일의 물리학자 발터 네른스트(Walther Hermann Nerns, 1864~1941)가 전기화학의 전지(電池)의 전극전위를 E방정식으로 기술했던 네른스트의 열 정리(Nernst heat theorem)와 열역학 제3법칙(the Third law of thermodynamics)이 그에게 지대한 영향을 끼쳤다.

물질과 우주의 에너지 구조를 해명하는 유일한 단서(端緖)가 원자량(Atomic weights)이란 자연신비를 밝혀내었다. 따라서 원자량(Atomic weights)의 정밀측정을 위한 새로운 기법(技法)을 창안했고, 뜻하지 않게 방사성 납의 동위원소를 발견했다. 또한 원자량 측정으로 방사화학 발전에 기여했으며, 압축률에 대한 연구와 열화학연구에도 몰두해 많은 업적을 남겼다.

주요저서로는 1906년 ‘아연 및 카드뮴 아말감의 희석과 관련된 에너지 변화(Energy Changes Involved in the Dilution of Zinc and Cadmium Amalgams)’, 1913년 ‘모리스 로브의 과학적 연구(The Scientific Work of Morris Loeb)’, 1915년 ‘요소의 압축성 및 다른 속성과의 관계(Concerning the Compressibilities of the Elements, and Their Relations to Other Properties)’및 1923년 ‘압축성을 결정하는 새로운 방법(New Method for Determining Compressibility)’등이 있다.

글=정경은 코리아미래연구소 수석연구원

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