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방사능의 발견

프랑스의 물리학자 앙리 베크렐은 1896년 X-선이 크룩스관의 밝은 부분에서 나온다는 이야기를 듣고 형광물질이 X-선을 방출할 수도 있다고 짐작했다. 자연사 박물관의 교수로 있던 베크렐은 연구를 위해 다양한 형광물질을 이용할 수 있는 위치에 있었고, 연구 결과 형광 물질들은 태양광을 어느 정도 흡수한 후에는 어둠 속에서 빛을 방출한다는 사실을 찾아냈다. 검은 종이로 사진 건판을 감싸서 빛이 들어가지 못하게 한 뒤 형광 소금이 담긴 접시 위에 놓아두면 형광물질에서 나온 빛이 건판에 기록되는 것을 확인할 수 있었다. 사진 건판과 접시 사이에 금속 물체를 놓으면 이 물체의 그림자가 촬영되었고 이는 마치 뢴트겐이 X-선을 발견한 것과 마찬가지의 현상이었다. 이어진 실험에서는 실험 장치를 햇빛이 드는 곳에 두었다.

일반적으로 프랑스 파리의 날씨는 며칠씩 지속해서 햇빛이 나지 않음에도, 베크렐은 실험을 계속했다. 사실 그는 실험 결과 아무런 일이 일어나지 않을 것으로 생각했지만, 결과는 예상과 달랐다. 실험에는 우라늄 가루를 이용했는데 여기서 X-선이 나온 것 같았고, 이것은 마치 없던 에너지가 만들어진 것과 마찬가지여서 처음엔 에너지 보존의 법칙에 어긋나는 현상으로밖에 생각되지 않았다.

연구를 계속한 베크렐은 방출된 선이 X-선과는 다르며 자기장에 의해 굴절될 수 있다는 것과 대전된 입자로 이루어져 있다는 결론에 이른다. 베크렐의 연구는 여기까지였고, 폴란드의 실험물리학자인 마리 퀴리가 그의 연구를 이어받아 발전시켰다.

마리 퀴리는 우라늄에서 방출되는 방사선을 주제로 한 박사학위 논문을 준비하면서 우라늄을 추출하는 원광석인 역청 우라늄광이 순수한 우라늄보다 방사성(放射性)이 높다는 것을 발견했는데, 이것은 무엇인가 우라늄보다 방사성이 높은 물질이 원광석에 들어있다는 의미가 분명했다.

그녀는 남편인 피에르 퀴리와 함께 이 물질(폴로늄과 라듐)을 분리해내는 데 성공한다. 발견은 1898년이었지만, 엄청난 양의 원광석에서 0.1g의 라듐을 분리해내기까지는 4년이란 시간이 필요했다.

피에르 퀴리는 1g의 라듐을 이용해 1과1/3g의 물의 온도를 섭씨 0도에서 100도로 올리는 데 한 시간이 걸리지 않으며, 이것을 끊임없이 반복할 수 있다는 것을 발견한다. 마치 무한한 에너지를 찾아낸 것과 같은 놀라운 발견이었다.

그러나 퀴리 부부는 방사능 에너지가 무엇인지 정확히 알지 못했다. 방사능에 대한 보다 깊은 연구 결과는 케임브리지 대학의 캐번디쉬 연구소에서 근무하던 뉴질랜드계 영국인인 과학자 어네스트 러더퍼드에 의해 이루어졌다.

러더퍼드는 케임브리지 대학에서 최초로 ‘학생 연구자’로 임명된 사람이었다(보통은 학위를 받아야 연구자의 지위를 얻는다). 러더퍼드가 뉴질랜드에서 영국으로 온 것은 뢴트겐이 X-선을 발견하고 두 달 뒤였는데, 그가 장학금을 받은 것은 실력도 받쳐줬지만 운도 좋았기 때문이었다. 그는 최종 장학금 수상 후보 두 명 중의 한 명이었지만 장학생으로 선발되지 못했다. 하지만 다른 후보가 장학금 신청을 철회하는 바람에 운 좋게 장학금을 탈 수 있었다. 전파 연구에 몰두했던 러더퍼드는 마르코니보다 앞서 장거리 전파 전송을 실현할 수도 있었다. 그러나 돈벌이에 관심이 없었기 때문에 자신의 연구를 상업적으로 발전시킬 생각은 전혀 하지 않았다.

방사능과 관련된 연구를 시작한 러더퍼드는, 베크렐이 발견한 방사선이 두 가지 형태로 이루어져 있다는 사실을 알아냈다. 알파선은 종이나 몇cm의 공기층만 있어도 차단되는 반면에 베타선은 훨씬 더 침투력이 강했다.

1908년, 러더퍼드는 알파선이 (헬륨 원자에서 전자가 떨어져 나간) 알파 입자로 이루어져 있다는 것을 증명하는 데 성공한다. 베타선은 빠르게 움직이는 전자에 의한 것으로, 음극선관과 유사하지만 훨씬 더 큰 에너지를 가지고 있다.

1900년에 러더퍼드는 세 번째 유형의 방사선을 발견하고 감마선이라고 이름 붙였다. X-선과 마찬가지로 감마선도 전자기파의 일종이며, X-선보다 파장이 짧고, 매우 강한 에너지를 가지고 있다. 이제 러더퍼드의 연구는 원자의 내부를 들여다보는 단계에 이르렀다.

원자를 찾아서

19세기를 거치며 열역학 분야에서 열 입자론이 폐기되자, 오스트리아의 루드비히 에두아르트 볼츠만이나 영국의 제임스 클러크 맥스웰 같은 물리학자들은 열이란 입자(비록 입자가 무엇인지는 정확히 모르고 있었지만)의 속도에 의해 나타나는 것이 아닐까라는 생각을 하게 되었다.

사실 열이나 전기의 전달은 원자론적인 접근을 하지 않으면 제대로 설명하기 어렵다고 봐야 한다. 도체를 통해 전기가 전달되려면 전자가 원자 사이로 움직여야 하고, 전도나 대류에 의해 열이 전달되려면 입자가 이동해야 한다. 20세기에 들어서며 원자론이 받아들여진 것은 원자의 내부를 들여다볼 준비가 되었다는 의미였고, 에너지란 무엇이며 어떤 방법으로 전달되는지를 이해하는 첫 단추였다.