세상을 바꾼 노벨물리학상 수상자들
이 일수
동일문고
세상을 바꾼 노벨물리학상 수상자들
이 일수
동일문고
찍은 날 2014년 5월 15일 ｜펴낸 날 2014년 5월 20일 (2판) 저자 이 일수 ｜ 펴낸이 최 향옥｜펴낸 곳 동일문고
출판등록 2014년 1월 15일 ｜등록번호 제 2014-000004 호 주소 대구광역시 수성구 달구벌대로 2260번지 101동 402호 전화 070-7518-5324
이메일 dongilmoongo@gmail.com
이 일수(李 一洙) 경북대학교 교수 (1990~현재) 뉴욕주립대학 Buffalo Ph.D. (1989)
뉴욕주립대학 Buffalo 연구원
워싱턴대 Saint Louis 의과대학 방문교수(2008) 조지타운대 물리학과 방문교수(2012)
전공: 극저온물리, 박막물리, MRI조영제 및 자성나노입자 박사학위논문: Finite-size Scaling of the Superfluid Density of
He Confined Between Silicon Wafers (Phys. Rev. Letter. 1989) SCI 논문 50편 및 극저온 기술의 기초(2007년 대한민국학술원 우수학술도서선정), 현대물리학의 기초(2009년 문화체육관광부 우수학술도서 선정)등 단행본 15권 저술
세상을 바꾼 노벨물리학상 수상자들(2판)
ISBN 979-11-952003-3-7 03420
머리말
Physics makes the world go round. 물리학이 세상을 돌아가게 만든다는 말이다. 정말 그 럴까? 주위를 둘러보자. 물리학적 원리에서 출발하지 않는 것이 있는가? 가정 안을 살펴보자. 전 등, TV, 냉장고, 에어컨, 전화기, 컴퓨터 등이 보인다. 모두 물리학적 기본원리에 의해 발명되어 졌다. 바깥으로 나가보자. 자동차, 전철, 네온사인, 가로등, 스마트폰, 병원의 진단장비와 치료기 기 등도 모두 물리학적 기본원리에서 출발한 발명품들이다. 이와 같이 문명의 이기(利器)들은 모 두 물리학에 그 기반을 두고 있다.
이 책에서는 노벨물리학상 수상자들이 어떻게 세상을 바꾸었는지를 보여줄 것이다. 그들의 천 재성이 세상을 바꾸었고 지금도 바꾸고 있다. 물리학적 지식이 세상을 이롭게도 만들었지만 동시 에 해를 끼치기도 했다. 핵에 대한 물리학적 지식은 인류를 핵무기의 위협에 놓이게 만들었지만 핵에너지는 전기의 생산에 이용되어 인류에게 이익을 주고 있다. 이와 같이 과학기술에는 항상 양면성이 존재한다. 과학기술은 인류에게 유익하게 이용되기도 하고 해를 끼치기도 한다. 물리학 자들은 과학적 호기심으로 새로운 물리현상을 발견한다. 그러나 그 발견은 무기체계에 가장 먼저 이용되어 왔다. 그러다가 그것이 인류에게 도움을 주는 방향으로도 이용되기도 했다. 이러한 과 학의 양면성은 물리학자들의 탓은 아니다. 그들이 핵에너지를 탐구한 것은 핵무기를 만들려고 한 것은 아니었다. 우주가 어떤 물질로 이루어졌는가를 탐구하는 과정에서 핵에너지를 발견한 것이 다. 그것이 인류를 멸망시킬지도 모르는 핵무기로 사용될 것이라고는 예상하지 못했다.
어떤 물리학적 업적이 세상을 가장 많이 바꾸었는가를 선택하기란 쉽지 않다. 이 책에서는 저 자 나름대로 선택한 것을 소개할 것이다. 그렇다고 그 업적들이 세상을 가장 많이 바꾸었다는 것 은 아니다. 사람마다 관점이 다를 수 있다. 일상생활과 관련된 7대의 세상을 바꾼 노벨물리학상 수상자들의 업적을 뽑아서 그 업적을 해설하였다. 첫째, X-선의 발견, 둘째, 무선통신의 발명, 셋 째, 기체의 액화 및 초전도체의 발견, 넷째, 질량-에너지 등가원리, 원자폭탄과 원자로, 핵의약, 다섯째, 자기공명현상의 발견, 여섯째, 반도체 트랜지스터의 발명, 집적회로의 구성, 일곱째, 레이 저의 발명, 광통신의 실용화 등을 선정하였다.
물리학의 연구 분야는 우주를 구성하는 기본입자에서부터 우주자체까지이다. 즉, 연구 대상인 물체의 크기로 보면 극소에서 무한대까지이다. 이에 따라 두 극한의 경우에 대한 물리학적 연구 를 2개의 장으로 나누어 설명하였다. 즉, 우주를 구성하는 기본입자와 우주의 근원을 찾는 물리 학자들의 노력을 노벨물리학상 수상자의 업적을 기초로 설명하였다. 그리고 덧붙여서 원자세계를
설명하는 양자(파동)역학의 탄생과정도 소개하였다. 또한 노벨물리학상 이전의 물리학자들의 업적 을 정리한 장도 포함되어 있다.
노벨물리학상 수상자를 배출한 나라는 18개국이다. 그 중에서 미국 국적의 수상자가 45%를 점하고 있다. 그 다음으로 독일과 영국이 각각 11%이다. 그리고 러시아(구 소련포함)와 프랑스가 6%씩 이다. 노벨물리학상 수상자의 분포는 국력과 상통한다. 1901년부터 노벨물리학상이 시작되 었는데 1930년까지 미국 국적의 수상자는 단 3명뿐이었다. 이 기간 동안 수상자는 30명이었는데 유럽의 강국들이었던 독일(10명), 영국(7명), 프랑스(5명), 네덜란드(4명) 등이 노벨물리학상을 싹 쓸이 하였다. 그러다가 1930년 이후에는 미국의 독주이다. 1930년 이후 미국의 노벨물리학상 수 상자는 84명이다. 그 사이 전통의 강국들인 영국(15명), 독일(12명), 프랑스(6명) 등도 여전히 많 은 수상자를 배출했지만 미국의 수상자 수와는 비교가 되지 않는다. 그리고 냉전시대에 미국과 경쟁을 벌였던 소련(러시아 포함)은 1930년 이전에는 1명의 수상자도 없었는데 그 후 12명의 수 상자를 배출했다. 모두 국력을 반영한 것이다. 일본도 1949년 유가와 히데끼를 시작으로 6명(미 국 국적의 남부 요이치로를 포함하면 7명)의 수상자를 배출하였다. 그리고 중국도 2차 대전 후 에 3명(미국 국적의 사람들을 포함하면 6명)의 수상자를 배출하였다. 이제 한국의 국력도 커졌기 에 노벨물리학상 수상자를 기대할 수 있게 되었다.
아무쪼록 독자들이 이 책을 통해 물리학이 어떻게 세상을 바꾸었는지에 대해 이해했으면 한다.
2013년 12월
차례
제 1장 프롤로그 ···1
제 2장 세상을 바꾼 노벨물리학상 수상자들 ···13
1. X-선의 발견 ···14
2. 무선전신의 발명 ···19
3. 기체의 액화 및 초전도체의 발견 ···24
4. 질량-에너지 등가원리, 원자폭탄과 원자로, 핵의약···29
5. 자기공명현상의 발견 ···36
6. 반도체 트랜지스터의 발명, 집적회로의 구성 ···45
7. 레이저의 발명, CCD, 광통신의 실용화···56
제 3장 우주를 구성하는 기본입자를 찾아서 ···69
제 4장 원자세계를 설명하는 양자역학의 탄생 ···85
제 5장 우주의 근원을 찾아서 ···98
제 6장 노벨물리학상 이전의 물리학자들 ···108
제 7장 에필로그 ···136
노벨물리학상 수상자 리스트···165
제 1장
프롤로그
인류가 지구에 출현한 것은 400만 년 전일 것이라고 추정하고 있다. 그 사이 인류는 과학기술 면에서 대단한 성과를 이루었다. 그러나 이러한 과학기술적 성과가 일어나기 시작한 것은 불과 100여 년 전의 일이다. 인류의 출현부터 시작하여 아주 완만히 발전된 과학기술이 100년 남짓 전부터 급격히 발전하여 현대에 이르게 된 것이다. 이러한 과학기술발전의 불연속성의 원인은 무 엇인가? 아마도 급격한 과학기술의 발전에는 모멘텀(momentum, 계기)이 되는 씨앗기술이나 특 출한 과학적 아이디어가 필요하기 때문일 게다. 인류가 직립이 가능했기 때문에 다른 동물과 달 리 손을 사용할 수 있게 되고 이에 따라 도구를 만듦으로써 다른 동물들과 다른 발전을 이룰 수 있었다. 그리고 인간이 불의 발견을 통해 새로운 도약을 이룰 수 있었다. 이런 의미에서 인류의 발전의 첫 모멘텀은 직립과 불의 발견이라고 할 수 있다. 그러면 100여 년 전부터 시작된 급격 한 과학기술의 발전에 모멘텀을 준 것은 무엇일까? 그것은 전기(電氣, 특히 교류 전기에 의한 광 범위한 전기의 사용)의 생산일 것이다.
그림1. 나이아가라 공원에 있는 테슬라의 동상
제 2의 불이라고 부르는 전기(교류전기)가 상용으로 생산되기 시작된 것은 1881년부터이다.
테슬라(Nikola Tesla, 1856~1943)의 아이디어로 나이아가라 폭포 근방에 처음으로 교류발전소 를 만들었기에 가능하게 된 것이었다. 그리고 에디슨(Thomas Edison, 1847~1931)이 백열전구 를 발명한 것도 1879년이다. 그전에 인류가 밤에 불을 밝힌 것은 물체를 태워서 빛을 내는 방법 밖에 없었다. 물체를 태우면 열과 함께 열복사(전자기파, 빛)가 방출되는 것을 이용한 것이었다.
불을 발견한 후부터 백열전구를 사용하기 시작한 1879년까지 인류는 물체를 태워서 밤을 밝히는 방법이외에는 빛을 만들 수 없었다. 시간이 지남에 따라 태우는 물질이 변했을 뿐이다. 나무나 동물의 기름을 태우는데서 부터 가스를 사용하는 것의 차이일 뿐이었다. 그러나 전기의 발명에 의해 인류는 그 전과 완전히 다른 과학기술의 발전을 이루게 되는 모멘텀을 얻었다. 교류전기 발 명의 시작은 1831년 파라데이(Michael Faraday, 1791~1867)에서부터이다. 자기장(자석) 내에서 회전하는 도선의 양단에 전압(전기)이 발생된다는 파라데이 법칙을 발견한 것이었다. 이 원리를 이용하여 테슬라가 교류발전에 성공함으로써 인류는 새로운 불인 전기를 광범위하게 사용할 수 있게 된 것이다. 그 후 백열에 의한 방법 외에 기체방전의 방법을 사용하여 빛을 발생하는 형광
등이 1930년대에서야 비로소 출현하였다. 그리고 전기를 이용한 레이저의 발견(1960년)으로 여 러 파장의 빛들이 인공적으로 만들어지기 시작했다. 지구에서 인류가 이용할 수 있는 자연적인 빛은 태양 빛뿐이다. 태양빛의 에너지는 인간의 눈으로 감지할 수 있는 빛(전자기파)의 영역인 가시광선(파장이 400~700nm인 전자기파)이 에너지의 대부분을 차지하고, 인간의 눈으로 감지할 수 없는 자외선과 적외선이 섞여있다. 그런데 전기의 발명으로 태양 빛 이외의 인공적인 빛이 만 들어지기 시작한 것이다. X-선이 만들어져서 인체의 내부를 해부를 하지 않고도 볼 수 있게 되 었다. 마이크로파가 만들어져서 음식을 덥히는데 사용할 수 있게 되었고, 라디오파와 TV파가 만 들어져서 통신에 이용하게 되었다. 이 모든 혁명적인 변화의 시작은 전기의 생산이었다. 따라서 전기의 생산은 인류의 과학기술의 발전에 새로운 모멘텀을 제공하였다고 할 수 있다.
그림 2. 최초의 트랜지스터
많은 사람들이 현재의 과학기술이 오래되었다는 착각을 하고 있다. 이런 과학기술들이 일상에 이용되고 있는 것을 보고 있기 때문에 그 기술들이 옛날부터 있어왔다는 착각을 하게 되는 것이 다. 특히 젊은 사람들의 경우 그들이 태어나기 전부터 지금 사용하고 있는 기기들이 있었다고 생 각한다. 그러나 그 과학기술들은 이들이 생각하는 만큼 오래되지 않았다. 예를 들면 반도체를 이 용한 트랜지스터는 1947년에 쇼클리, 바딘, 블래틴(Shockley, Bardeen, Brattain, 1956년 노벨
용한 라디오는 1960년대부터 널리 사용되기 시작했다. 그 후 반도체기술은 급격하게 발전하여 현재의 IC(집적회로)기술이 가능해졌고, 이에 따라 컴퓨터 시대가 열렸다. 현재 사용하고 있는 개 인용 컴퓨터가 처음 나온 것도 1980년대이고, 이의 활성화가 시작된 시점도 1990년 초반부터이 다. 인터넷인 웹(world wide web)이 활성화 된 것도 1995년부터이다. 그 전에 웹은 물리학자들 이 대량의 실험치를 공유하여 분석하기 위해 사용해 오던 것이 1990년 중반부터 대학, 연구소 등에서 사용하기 시작하게 된 것이었다. 그 후 비약적인 발전을 이루어 개인용 컴퓨터(또는 이동 통신기기, mobile phone)는 현재 없어서는 생활할 수 없는 필수 기기가 되었다. 이를 가능하게 한 것이 트랜지스터의 발명이다. 트랜지스터의 발명이 없었으면 현재의 컴퓨터 시대는 존재할 수 없었을 것이다.
과학기술은 항상 양면성을 가진다. 좋은 방향으로 사용하면 인류 문명발전에 도움이 되지만 나쁜 방향으로 이용되면 인류를 멸망하게 할 수 있는 무기가 될 수 있다. 과학의 발달은 인간의 호기심에서 비롯된 것이 많고 이렇게 이룩한 과학적 성취가 기술발달로 이어졌다. 과학적 성취 중에는 처음에는 전쟁무기에 사용된 것이 많고 나중에는 일상생활에 사용되는 기기에 응용되는 과정을 거쳤다.
냉동액체(cryogenic liquid)는 기체의 온도를 내려 액체로 만든 것이다. 냉동액체는 영원히 기체 상태로 존재하는 기체가 있느냐는 지적 호기심에서 시작되었다. 1853년 공기의 액화에 성 공한 후 산소(1877년), 수소(1898년), 헬륨(1908년) 등의 액화도 성공하였고 영원히 기체 상태로 존재할 수 있는 기체는 없다는 결론에 도달하였다. 모든 기체는 온도를 내림에 따라 액체에서 고 체로 변한다는 사실이 확인되었다. 우리는 상온에서 고체 상태로 존재하는 물체에 열을 가하면 고체가 녹아 액체가 되고 액체가 증발하여 기체로 변한다는 사실을 잘 알고 있다. 마찬가지로 상 온에서 기체 상태로 존재하는 기체의 열을 빼앗아 온도를 내리면 기체는 액체가 되고, 또한 온도 를 더욱 내리면 액체는 고체가 된다. 예를 들면 산소의 온도를 내리면 액체산소가 되고, 온도를 더욱 내리면 고체산소가 된다.
기체의 온도를 내려 액체로 만드는데 있어서 팽창엔진과 줄-톰슨 (Joule-Thompson) 밸브라 는 장치가 필요하다. 이들은 고압의 기체를 팽창시켜 온도를 내리는 장치이다. 이러한 온도를 내 리는 장치는 냉장고와 에어컨에 응용되었다. 고압의 기체가 팽창할 때 기체의 온도가 내려가고 기체의 냉기가 주위의 온도를 내리는 원리를 냉장고와 에어컨에 이용한 것이다. 위의 예는 냉동 액체에 대한 연구가 우리의 생활을 편리하게 만든 과학의 순기능에 속한다.
냉동액체는 온도가 아주 낮은 액체이다. 기체를 액체화시킨 것이기 때문에 낮은 온도를 유지 해야 액체 상태로 존재할 수 있다. 따라서 이렇게 온도가 낮은 액체를 보관하는 통은 단열이 아
주 좋은 것이어야 한다. 1892년에 드와(James Dewar, 1842~1923)는 냉동액체를 오래 보관할 수 있는 통을 개발하였다. 이 통을 현재는 그의 이름을 따서 드와라고 부른다. 드와는 외부로부 터의 열의 전도를 방지하기 위해 이중벽으로 되어 있고 벽 사이에는 진공으로 만들었다. 그리고 단열을 더 좋게 하기 위해 벽 사이에는 단열재도 넣었다. 또한, 전자기파의 복사를 방지하기 위 해 내벽에는 은으로 도금을 하였다. 이러한 드와의 구조는 우리가 현재 많이 사용하고 있는 보온 병에 응용되고 있다.
냉동액체의 1기압에서의 끓는점
냉동액체 끓는점 oC (1기압) 액체밀도 (kg/m3)
헬륨 -269 125
수소 -253 71
네온 -246 1,206
질소 -196 807
공기 -194 874
일산화탄소 -191 789
아르곤 -186 1,304
산소 -183 1,141
메탄 -161 424
암모니아 -33 682
냉동액체의 끓는 온도(1기압)는 대부분 -100oC 이하이다. 액체산소는 –183oC이고 냉동액체 중에 온도가 가장 낮은 액체헬륨의 끓는 온도는 –269oC이다. 1879년 린데(Carl von Linde, 1842~1934)는 액체공기를 양산하는 공장을 독일에 설립하였다. 린데는 냉동액체의 상업적인 중 요성을 인식한 최초의 사람이다. 그 당시 액체공기는 식료품의 급속냉동 및 보관에 사용되었다.
린데는 그 후 1907년 미국에서 액체공기를 대량으로 생산하는 공장을 건립하기 시작하여 1912 년 완성하였다. 현재 린데 그룹(http://www.linde.com)은 100여 나라에 공장을 가지고 있는 기 체 및 냉동액체 공급회사이다. 1926년 곧다드(Robert H. Goddard, 1882~1945, 그의 이름을 딴 Goddard space flight center가 있음)는 액체산소와 가솔린을 혼합한 액체추진제를 이용하여 로켓발사에 성공하였다. 이는 냉동액체의 군사적 이용에 대한 중요성을 일깨운 사건이었다. 2차
추진제를 이용한 V-2 로켓이 개발되었다. 전쟁 후 그는 영국의 전범재판에 회부되었으나 그의 로켓기술 때문에 미국에 의해 사면되었고, 그 후 미국의 로켓 및 탄도미사일 개발에 큰 공을 세 웠다. 그리고 V-2로켓 개발에 참여한 독일 과학자들이 미국으로 건너가 미소 냉전시대에 미국을 위해 대륙간탄도미사일(ICBM) 개발에 중추적인 역할을 하였다. 그 중에서 폰 브라운(Wernher von Braun, 1912~1977)은 미국의 로켓의 아버지(father of rocket science)라고 불리게 되었 다. 1956년 액체수소 추진제를 사용한 아틀라스 대륙간 탄도미사일(Atlas ICBM)이 개발되었고 이후 미소간의 핵미사일 경쟁은 극에 달했다. 그러던 중에 1957년 소련은 최초의 인공위성인 스 푸트니크(Sputnik) 1호를 지구궤도에 올리는데 성공하였다. 이후 핵미사일 경쟁에 덧붙여 우주 공간을 지배하는데 미소경쟁이 격화되었다. 1961년 액체수소-액체산소 추진제를 이용한 강력한 로켓인 세턴 5(Saturn V)가 미국에 의해 개발되었고 이 로켓을 이용하여 1969년 인류가 처음으 로 달에 발을 딛게 되는 역사적인 일이 성취되었다. 그 후 적국을 탐지하기 위한 수많은 군사위 성들이 지구궤도를 돌게 되었다.
그림 3. 세턴 5 로켓
위에서 본 바와 같이 과학적 호기심에서 출발한 냉동액체에 대한 연구결과는 군사적인 목적 으로 사용하게 되었다. 그러나 군사적인 용도로 출발한 인공위성은 현재 통신이나 GPS에서는 없 어서는 안 될 도구가 되었다. 이것이 바로 과학기술이 지닌 양면성을 보여주고 있다. 냉동액체가 핵무기와 인공위성을 실어 나르는 로켓에 군사적 목적으로 사용되었다가 그 인공위성이 지금 통 신에는 없어서는 안 될 수단이 된 것은 아이러니한 일이다. 냉동액체는 현재 다양한 분야에 응용 되고 있다. MRI와 자기부상열차에서는 초전도체자석의 냉매로 사용되고 있다. 그리고 식품의 급 속냉동, 혈액의 보관, 수정란의 보관, LNG(액화천연가스, 90%이상이 메탄, -162oC), LPG(액화석 유가스, 95%이상이 프로판, -42oC), 냉동수술, 폐타이어의 재생 등 수많은 분야에 인간에 유익하 게 사용되고 있다. 그러나 냉동액체는 여전히 핵미사일에 추진제와 산화제로 사용되어 핵무기를 실어 나르는 역할을 하고 있어 인류멸망의 잠재적인 단초를 제공하고 있다.
물질이 무엇으로 구성되었는가에 대한 궁금증은 고대로부터 있어왔다. 그러나 그에 대한 답은 철학적인 면으로 흘렀다. 데모클리투스(Democritus, BC 460~BC 370)는 물체를 계속 나누다보 면 더 이상 나눌 수 없게 되는데 그것을 원소(atom)이라고 불렀다. 물질의 기본에 대한 과학적 인 접근은 데모클로투스의 원소론이 나온 후 2,000년이 지나서였다. 달톤(John Dalton, 1776~1844)은 화학실험의 결과를 통해 물체는 기본적인 입자로 구성되어 있을 것이라는 사실을 알았으나 그 기본적인 입자의 구조는 알 수 없었다. 그러다가 1897년 톰슨(Joseph J. Thomson, 1856~1940, 1906년 노벨 물리학상)이 음극관을 이용하여 전자를 발견하고 원자의 모델로서 건 포도 푸딩 모델(plum-pudding model)을 제안하였다. 그의 원자모델은 양의 전하분포(pudding) 에 전자(plum)가 박혀있는 구조이다. 그러나 그의 원자모델은 얼마 지나지 않아 라더포드 (Ernest Rutherford, 1871~1937, 1908년 노벨 화학상)에 의해 수정되었다. 라더포드는 방사선 입자인 알파()선 (헬륨의 핵)을 금박에 쪼였을 때 거의 대부분의 알파-선은 경로의 변함없이 진 행하였으나 일부의 알파-선이 크게 휘어지는 것을 관찰하였다. 그는 이 실험결과로부터 새로운 원자모델을 제안하였다. 원자는 중앙에 양의 전하를 가지는 핵과 그 주위를 도는 전자로 구성되 어 있다는 원자모형이다. 핵은 아주 좁은 영역을 차지하고 핵과 전자사이에는 빈 공간이라는 것 이다. 이에 따라 양의 전하인 알파-선은 핵 쪽으로 진행하는 것만 크게 휘어지고 나머지는 빈 공 간을 그대로 지나가서 금박의 뒤쪽에 관찰된 것이었다.
그림 4. 러더포드의 실험실
핵을 중심으로 회전하는 원자의 모형이 받아들여졌으나 원자의 질량에 대한 의문이 대두되었 다. 예를 들면 헬륨(원자번호 2)은 수소(원자번호 1)에 비해 전자의 수가 두 배이므로 핵 안에 2 개의 양성자가 존재하고 2개의 전자가 외곽을 돌고 있는 구조이므로 헬륨의 질량은 수소 질량의 2배가 되어야 하는데 측정결과는 4배였다. 원소의 질량에 대한 의문은 1931년 채드윅(James Chadwick, 1891~1974, 1935년 노벨물리학상)에 의해 질량이 양성자와 비슷한 중성자가 발견됨 으로써 해결되었다. 위의 예에서 헬륨의 핵은 양성자 2개와 중성자 2개로 이루어져 있으므로 양 성자 1개로 이루어진 수소에 대해 질량이 4배가 된 것이었다. 이에 따라 핵은 양성자와 중성자 로 구성되어 있다는 결론에 도달하였다. 그러나 양성자는 양의 전하를 가진 입자이어서 서로 전 기적 반발력이 존재하는데 어떤 힘에 의해 좁은 공간(fm, 10-15m)에 존재할 수 있느냐 하는 의문 이 대두되었다. 이는 우주의 기본입자가 과연 무엇인가 하는 궁극적인 의문점으로 아직도 현재 진행형이다.
그림 5. 아인슈타인의 근영
1905년 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955, 1921년 노벨물리학상)은 4편의 논문을 연 이어 발표하였다. 즉, 특수상대성이론, 광전효과의 이론적 설명, 브라운 운동의 설명, 물질과 에 너지의 동등성 등 4가지 논문이다. 이 논문들은 모두 획기적이고 혁명적인 내용을 포함하고 있었 고, 이 후 각 논문에 연관된 물리학 분야에 심대한 영향을 끼쳤다.
원자의 질량은 그것을 구성하고 있는 입자들의 질량의 합보다 항상 작다. 즉, 어떤 원자를 구 성하고 있는 양성자, 중성자, 전자들의 질량을 합산해 보면 이 값은 이들이 만드는 원자의 질량 보다 크다. 원소의 질량과 구성원의 질량 합과의 차이를 질량결손이라고 부른다. 이 질량의 차이 가 핵을 좁은 공간에 묶어두는 결합에너지에 해당된다. 이는 아인슈타인의 물질(질량)과 에너지 의 동등성에 대한 논문의 결과에 기초한다. 즉, 질량결손()은 의 에너지와 동등하다 는 것이다. 여기서 는 빛의 속도이다. 이 질량결손의 에너지가 곧 결합에너지가 되고 이 결합에 너지에 의해 핵자(양성자와 중성자)는 좁은 공간에 갇혀있게 된다. 만약 원자가 분열하면 이 결 합에너지가 외부로 방출된다. 원자의 결합을 깨는 연쇄반응이 일어나면 막대한 에너지가 방출되 는데 이것이 바로 원자폭탄의 원리이다. 1939년 8월 2일 아인슈타인은 루스벨트 대통령 (Franklin D. Roosevelt, 1882 ~1945, 1933~1945, 미국대통령)에게 원자폭탄 제조에 대한 제안 을 하였다. 그 당시 물리학자들은 독일이 우라늄 235의 농축실험을 하고 있다고 의심하였다. 우
미국이 이를 먼저 만들어야 된다고 주장하고 그 대표로 아인슈타인이 대통령에게 편지를 쓰게 된 것이었다. 미국은 맨하탄 프로젝트(Manhattan project, 1942~1946)를 통해 원자폭탄을 만드 는데 성공하였다. 이 원자폭탄을 일본의 히로시마와 나가사끼에 투하하여 20만 명이상의 사망자 를 내었고 이에 따라 전쟁은 종식되었다. 1945년 8월 6일 히로시마에 떨어뜨린 원자폭탄(little boy)은 우라늄 235를 이용한 것이었고, 8월 9일 나가사끼에 떨어뜨린 원자폭탄(fat man)은 프 로토늄 239를 이용한 것이었다. 2차 대전이 끝난 후 미국과 소련은 군비경쟁을 벌려 수많은 원 자폭탄(핵분열)과 수소폭탄(핵융합)을 제조하여 대륙간 탄도미사일에 탑재해 상대편의 주요도시를 조준하게 되었다. 미국과 소련간의 군축회담, 소련의 붕괴 등으로 핵전쟁에 대한 위협은 다소 완 화되었으나 북한, 이란 등 제 3세계 국가들이 핵무기를 보유하려는 움직임으로 여전히 인류에게 는 핵전쟁에 의한 멸종위기에 처해있다.
그림 6. 나가사끼에 떨어진 원자폭탄
1942년 페르미(Enrico Fermi, 1901~1954, 1938년 노벨물리학상)는 최초의 원자로를 만들었 다. 이에 따라 인류는 원자력에너지를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 계기를 마련하게 되었다.
1956년에 영국에서 최초의 상업용 원자력 발전소가 만들어졌고, 이 후 많은 나라들에서 원자력 발전소가 건설되었다. 한국에서도 1978년 고리원자력발전소의 가동을 시작으로 원자력시대가 열 렸으며, 현재 25기의 원자력발전소가 가동되고 있으며 이에 따라 원자력에 의해 생산되는 전력은 한국에서 생산되는 전력의 30%가까이를 점하고 있다. 원자력발전은 핵분열에 의해 발생되는 열 에너지를 이용하여 수증기를 만들어 발전기의 터빈을 돌려 전력을 생산하는 구조이다. 원자로의
핵연료로는 우라늄 235와 프로토늄 239가 주로 사용되고 있다. 우라늄 235는 중성자에 의해 바 륨 141과 칼륨 92로 핵이 분열된다. 이 핵분열에서 평균 3개의 중성자와 195MeV의 에너지가 방출된다. 핵분열의 속도를 조절하여 연쇄반응을 천천히 유지시키기 위해 감속재로 물, 중수, 탄 소 등이 사용된다. 1그램의 핵연료를 하루 동안 가동시키면 대략 1MW의 열에너지를 얻을 수 있 다. 이 열에너지의 1/3이 전기에너지로 바꾸어진다고 가정하면 1그램의 핵연료로 대략 1/3 MW 의 전력이 생산된다. 원자력발전의 전기를 생산하는 단가는 화력발전보다 훨씬 싸므로 많은 나라 에서 원자력발전소를 건설하고 있다. 그러나 스리마일 아일랜드(Three mile island), 체로노빌, 후쿠시마 등에서 일어난 원자력 발전소의 사고에서 보듯이 원자력발전소의 사고는 방사선 등의 피해도 수반되므로 인류의 생존에 큰 위협이 될 수 있다.
위에서 보았듯이 물질이 궁극적으로 무엇으로 이루어졌는가에 대한 해답을 찾는 과정에서 발 견한 핵에너지라는 판도라의 상자는 우리들에게 희망과 동시에 절망도 안겨주고 있다. 원자로에 서 만들어지는 방사능원소들은 병의 진단과 치료에 사용되고 있고, 원자력 에너지는 현재 전력생 산에는 없어서는 안 될 에너지원이다. 반면에 핵에너지를 이용하는 핵무기는 인류의 생존을 위협 하고 있다.
냉동액체와 핵에너지에서 보았듯이 과학기술에는 항상 좋은 점과 나쁨 점이 공존하는 양면성 을 가지고 있다. 그 과학적 지식을 어떻게 이용하느냐에 따라 인류의 문명에 도움을 주기도 하지 만 반면에 인류의 멸망의 근원이 될 가능성도 있다. 현재의 과학기술은 예측하기 어려울 정도로 빠르게 발전하고 있다. 이렇게 빠른 과학발전은 100여년 정도밖에 되지 않았고 이는 인류출현의 역사를 400만년으로 본다면 극히 짧은 시간이다. 인류는 지금 멸망의 길에 접어들었는지도 모른 다. 과학기술에 의해 통제된 인류사회는 아주 작은 틈에서부터 붕괴될 수도 있고, 이는 곧바로 인류멸망의 단초가 될 수도 있다. 어쨌든 과학기술이 좋은 면으로 응용되기를 희망할 뿐이다.
그림 7. 스리마일 아일랜드 원자력발전소
제 2장
세상을 바꾼 노벨물리학상 수상자들
노벨물리학상은 그 해에 획기적인 물리학적 발견이 있는 경우 그 발견자에게 상이 돌아간다.
그러나 보통의 경우 매년 획기적인 발견이 있을 수는 없기 때문에 그 전에 이론으로 예측한 것 이 실험적으로 증명이 될 경우에는 그 예측한 사람에게 상이 돌아가고 그나마도 없을 경우 지금 까지 이룩한 업적이 가장 특출한 사람에게 돌아가는 것이 보통이다. 따라서 노벨물리학상을 받은 사람은 물리학의 발전에 획기적인 기여를 한 사람임에는 틀림이 없다. 그러나 그의 업적이 물리 학의 발전에만 국한되지 않고 세상을 바꾸는 계기가 되는 업적도 있다. 이는 인류의 삶의 형태를 완전히 바꾼 획기적인 발견이나 발명을 뜻한다.
앞에서 언급하였듯이 교류발전은 인류에게 새로운 불의 혁명을 가져왔다. 그런 의미에서 테슬 라는 세상을 바꾼 업적을 이루었다고 할 만하다. 그러나 테슬라는 노벨상을 받지는 못했다.
1915년 11월 6일 로이터통신은 테슬라와 에디슨이 노벨물리학상을 공동수상한다는 보도를 하였 다. 그러나 그해 노벨물리학상은 브랙 父子(William H. Bragg, 1862~1942, William L. Bragg, 1890~1971)에게 돌아갔다. 그 후 테슬라와 에디슨의 관계가 좋지 않아서 두 사람이 노벨상을 공 동수상하는데 반대했기 때문에 노벨물리학상이 브랙 父子에게 돌아갔다는 소문이 돌았다. 그러나 노벨위원회에서는 노벨상은 발표 전에는 누구에게 주어질지 모르기 때문에 수상거부는 발표 후 에 가능하다며 이 소문을 일축했다. 그 후 테슬라와 에디슨은 두 번 다시 노벨물리학상에 거론 되지 않았다. 테슬라가 세르비아에서 미국으로 건너간 지 얼마 되지 않아 에디슨의 회사에서 근 무했었는데 에디슨이 테슬라가 모터의 기술적 문제를 해결하면 그에게 50만 달러를 보상하겠다
가 그 문제를 해결하였다. 테슬라가 약속을 이행하라고 하자 에디슨은 농담이었다고 했다고 한 다. 그리고 에디슨은 직류발전을 고집한 반면에 테슬라는 교류가 승압(변압기를 사용)을 통해 손 실을 최소화하면서 멀리 송전할 수 있는 장점이 있어서 교류발전이 직류발전보다 낫다고 생각했 다. 이와 같은 일들로 인하여 테슬라와 에디슨은 서로 싫어하는 관계이었던 것 같다. 그 후 테슬 라는 교류발전의 특허를 웨스팅하우스와 계약하여 나이아가라 폭포 근방에서 교류발전소를 세워 광범위한 지역에서 전기를 사용할 수 있도록 하였다(직류전기는 좁은 지역에만 송전 가능함).
테슬라는 뛰어난 실험가이자 발명가였다. 그는 1894년에 크룩스(Crooks)관을 이용하여 X-선 을 발견하였다. 이는 뢴트겐( Röntgen, 1845~1923, 1901년 최초의 노벨물리학상)의 X-선 발견 (1895년)보다 앞선 것이다. 그러나 그의 실험실이 1895년 3월에 불이 나서 그때까지의 실험결과 들을 모두 잃게 되었고, 1896년 뢴트겐이 X-선을 이용하여 영상을 얻었다는 것을 알고 X-선 영 상 실험을 다시 시작했다고 한다. 1893년 테슬라는 라디오파를 이용한 무선통신에 대해 강연에 서 언급하였고, 그 후 무선통신에 대한 연구를 계속하였다. 그러나 무선통신에 관련하여 이탈리 아의 마르코니(Guglielmo Marconi, 1874~1937)가 1909년에 노벨물리학상을 받았다(그러나 특 허재판에서 1943년 미국대법원은 테슬라가 무선통신의 최초 발명자로 인정했다). 테슬라는 기 체방전에 의해 빛을 만드는 방법에 대한 특허도 얻었다. 이는 형광등의 원리이다. 형광등은 1930 년대에 와서야 비로소 상용화되었다. 위와 같이 테슬라는 비록 노벨물리학상을 받지는 못했지만 세상을 바꾼 물리학적인 업적이 많다. 그의 업적을 기리기 위해 테슬라(Tesla, T로 표현)라는 단 위를 자기장의 단위로 사용하고 있다.
1. X-선의 발견
X-선은 파장이 0.1~10nm인 전자기파이다. X-선은 고속의 전자가 표적금속에 의해 갑자기 정지될 때 발생한다. 고속전자의 운동에너지가 표적금속에 의해 감소되고 그 감소된 부분만큼의 에너지를 가지는 전자기파가 발생한다. 이때 발생되는 X-선이 연속 X-선이다. 연속 X-선의 최 소파장은 전자를 가속시키는데 사용한 전압에만 의존한다. 반면에 고속전자의 에너지가 클 경우 연속 X-선에 덧붙여 고유 X-선도 발생한다. 고유 X-선은 고속의 전자가 충돌에 의해 표적금속 원자의 전자를 여기시키고, 이렇게 여기된 전자가 낮은 에너지 상태로 떨어지면서 에너지를 전자 기파의 형태로 방출함으로써 발생한다. 따라서 고유 X-선의 파장은 표적금속의 종류에 따라 다 르다.
그림 8. 뢴트겐과 X-선 장치의 구조
1895년 뢴트겐(Wilhelm Röntgen, 1845~1923, 1901년 노벨 물리학상)은 새로운 전자기파인 X-선을 발견하였다. 그는 음극선 튜브(cathode ray tube)를 진공으로 만들고 그 안에 기체를 채운 후 양단의 전극에 고전압을 걸었다. 이는 현재의 형광등과 같은 구조이다. 그는 음극선 튜 브를 두꺼운 검은색 종이판으로 덮었는데도 불구하고 근처의 형광물질인 바륨 시안화 백금산염 (barium platinocyanide)이 입혀진 스크린에 형광이 발생하는 것을 관찰하였다. 그는 음극선 튜 브에서 보이지 않는 광선이 두꺼운 종이를 뚫고 나온다고 생각하고 그 광선이 어떤 종류의 광선 인지 몰라서 X-선이라고 명명하였다. 그의 실험에서 고전압의 전극에서 나온 전자가 기체의 전 자와 충돌하여 파장이 아주 짧은 전자기파가 나온 것이었다. 그는 X-선을 여러 물체를 통과시키 는 실험을 하였다. 그리고 그의 아내의 손에 X-선을 쬐고 손 뒤에 사진건판을 둠으로써 뼈 사진 을 최초로 얻었다. 그의 새로운 발견에 대한 소문은 세계로 퍼져나갔고 사람의 속을 꿰뚫어 볼 수 있는 X-선에 대해 사람들은 두려움을 느꼈다. 이런 사람들의 심리를 이용하여 자신들이 파는 옷이 X-선을 투과하지 못한다고 선전하는 사람까지 생기게 되었다. X-선은 곧바로 의료분야에 사용되었다. 특히 폐결핵의 진단에 X-선은 유용하게 사용되었다, 그리고 골절 등의 판단에 있어 서 X-선은 없어서는 안 되는 진단장비로 자리를 잡게 되었다. 1960년대까지 X-선은 뢴트겐선이 라고 불렀고 지금도 이 이름을 사용하는 나라들이 있다. X-선을 발견한 후 뢴트겐은 Würburg 대학에서 명예 의학박사학위를 받았다. 아직도 방사선과(radiology)는 뢴트겐을 방사선과의 아버
의 발견은 세상을 바꾸는 업적이다. 병의 진단에서 X-선 장비는 없어서는 안 될 진단장비가 되 었고, 이 후 X-선을 이용하는 X-선 CT라는 새로운 형태의 진단장비가 개발되었다, 그리고 X-선 회절을 이용하여 고체의 결정을 관찰할 수 있게 되었다. 또한, X-선 회절을 이용한 DNA의 이중 나선구조의 발견으로 이어졌다.
브랙父子(1915년 노벨물리학상)는 1912년 브랙조건을 발견하였다. 이에 따라 결정구조를 X- 선 회절을 이용하여 관찰할 수 있게 되었다. 그림 9에서와 같이 결정체로 입사한 X-선은 결정체 에 의해 반사되는데, 결정의 표면에서 반사되는 X-선과 결정 아래 면에서 반사되는 X-선이 중첩 되어 관찰된다. 이때 표면에서 반사되는 ➀번 X-선과 아래 면에서 반사되는 ➁번 X-선이 중첩 (간섭)될 때 두 파가 보강간섭(커지는)되는 조건이 바로 브랙조건이다. 그림에서 보듯이 ➁번 X- 선이 ➀번 X-선 보다 sin의 거리만큼 더 이동하여 두 파가 합쳐진다. 이 경로의 차이가 X- 선 파장 의 배수가 되는 각도에서 X-선이 보강간섭이 되어 큰 신호가 관찰되는 것이 브랙조건 (sin )이다. X-선의 입사각 를 바꿈으로써 큰 신호가 관찰되는 각도를 얻을 수 있다. 이 각도를 브랙조건에 대입하면 결정사이의 거리()를 구할 수 있다. 이와 같은 방법을 이용함으로 써 물질에서 원자들이 어떻게 배치되어 있는지를 알 수 있다.
그림 9. 브랙父子와 브랙조건
1953년 플랭클린(Rosalind Franklin, 1920~1958)은 DNA의 X-선 회절무늬를 얻었다. 이 DNA X-선 회절사진을 분석함으로써 클릭, 윌킨스, 왓슨(Francis Crick, 1916~2004, Maurice Wilkins, 1916~2004, James Watson, 1926~ , 1962년 노벨생리학상)은 DNA의 이중나선구조를 밝힐 수 있었다. 그러나 아쉽게도 플랭크린은 1958년에 사망함으로써 노벨상을 받지는 못하였 다. 플랭클린이 관찰한 X-선 회절 그림에서 한 주기가 10개의 핵산으로 구성되어 34Å으로 관
찰되었다. 이에 따라 X-선 회절무늬 사이의 거리는 3.4Å으로 관찰되었으며, 이는 각 핵산사이의 떨어진 거리를 나타낸다. 그리고 나선구조는 회절무늬에서의 각도 가 나선에서 휘어지는 각도를 나타낸다.
그림 10. DNA의 X-선 회절과 플랑크린
1971년 하운스필드(Godfrey Hounsfield, 1919~2004, 1979년 노벨생리학상)는 X-선 CT를 개발하여 뇌 사진을 찍는데 성공하였다. 현재 X-선 CT는 세밀한 진단장비로 널리 사용되고 있 다. CT는 computed tomography (tomos는 그리스어로 자름, 즉 slice를 뜻하고 graphy는 그 림을 의미함)의 약자로서 단층영상을 나타낸다. 따라서 X-선 CT 장비는 X-선을 이용한 단층촬 영기이다. X-선을 물체에 쪼이면 일부는 물체에 흡수되고 나머지부분이 물체를 투과하여 관찰된 다. 입사한 X-선의 세기 와 투과되어 관찰되는 X-선의 세기 와의 관계는 로 주어진 다. 여기서 는 투과한 물질의 흡수계수이고 는 그 물질의 두께이다. 즉, X-선의 세기는 투과 하는 물질의 두께가 두꺼워짐에 따라 지수적으로 감소한다. 그리고 흡수계수는 물질에 따라 다르 다. 즉, 뼈와 같은 고체에는 X-선이 많이 흡수되고(흡수계수가 크다) 연부조직은 X-선이 대부분 투과된다(흡수계수가 작다). 따라서 단면의 각 부분의 X-선 흡수계수를 결정할 수 있다면 흡수계 수의 크고 작음을 명암으로 표시하여 영상을 구성할 수 있다. X-선이 인체의 한 단면을 지나고 그 뒤편에서 흡수되지 않고 투과되는 X-선의 세기를 측정한다고 하자. 단면을 지나온 X-선은 그 단면의 여러 물질(뼈, 연부조직, 지방 등)을 지나오면서 각 부분에 흡수된다. 예를 들어 뒤쪽에 100개의 측정 장비를 두고 측정한다면 그 단면을 100˟100개의 작은 부분(픽셀, pixel)으로 잘라
다. 즉, X-선이 각 부분(100개로 나뉜)에 흡수되고 일부만이 측정 장비에 관찰된다. 따라서 한 측정 장비에서 볼 때 100개 부분의 흡수계수를 결정해야 되는데 관찰되는 데이터는 1개뿐이다.
100개의 측정 장비를 이용할 경우 전체적으로 한 번의 X-선이 단면을 지나감으로써 얻어지는 X-선의 투과세기 값은 100개에 불과하다. 반면에 구해야 하는 미지수(흡수계수)는 10,000개이므 로 더 많은 투과세기의 값들이 필요하다. 이를 위해서 180o를 100번으로 잘라 1.8o씩 X-선원이 나 측정 장비를 회전시키면서(현재 X-선 CT 장비들은 대부분 X-선 측정 장비를 회전시킴) X-선 투과세기를 측정한다. 이렇게 하면 10,000개의 투과세기가 측정되므로 미지수 10,000개를 결정 할 수 있다. 이렇게 구한 각 픽셀의 흡수계수를 명암처리를 하면 CT영상이 구해진다. 10,000개 의 미지수를 가지는 10,000개의 일차연립방정식을 푸는데 컴퓨터가 필요하다. 따라서 X-선 CT 를 컴퓨터 단층촬영이라고도 하는데, 이는 X-선에 대해 사람들이 거부감을 느끼므로 X-선을 배 제하고 대신에 컴퓨터를 내세운 것이다. 그러나 컴퓨터는 단순히 흡수계수를 계산하는데 사용하 는 것이고 흡수계수의 측정은 X-선에 의한 것이므로 X-선 CT가 정확한 용어인 셈이다. 그리고 하나의 X-선 단층영상을 위해서는 위의 예(단면을 100˟100로 나누는 경우)에서는 가슴(chest)촬 영을 100번 하는 것과 비슷한(약한 세기의 X-선을 사용한다고 할지라도) X-선에 노출되는 것이 므로 X-선 CT는 꼭 필요한 경우에만 촬영하는 것이 좋다.
그림 11. 하운스필드와 X-선 CT의 구조
위에서 본 바와 같이 X-선은 다양한 분야에서 응용되고 있다. X-선 촬영, X-선 CT 등 의료 분야에 특히 많이 이용되고 있다. 그리고 여러 물질의 결정구조분석에서 X-선 회절이 유용하게
이용되고 있다. 또한 X-선은 공항의 짐 검사나 비파괴 검사에도 사용되고 있다.
2. 무선전신의 발명
전자기파를 파장()에 따라 정리하면 감마()선 (0.01Å이하), X-선(0.01nm~10nm), 자외선 (10nm~400nm), 가시광선 (400nm~750nm), 적외선(750nm~1mm), 마이크로파(1mm~1m), 라디 오파(1m~105km) 등으로 구분할 수 있다. 마이크로파를 라디오파에 포함시키면 라디오파는 적외 선보다 파장이 긴 전자기파를 말한다. 라디오파를 진동수()로 표시하면 3kHz~300GHz에 해당된 다. 이는 파장과 진동수의 곱이 빛의 속도인 관계( )를 이용하면 구할 수 있다.
1867년 맥스웰(James C. Maxwell, 1831~1879)은 전자기파의 파동방정식을 완성하였다. 맥 스웰 방정식에 따르면 시간에 따라 변하는 자기장이 전기장을 만들고 전기장이 시간에 따라 변 함으로써 자기장이 만들어진다. 전자기파의 발생은 시간에 따라 변하는 전류에 의해서이다. 그리 고 전자기파는 빛의 속도로 전파된다. 1887년 헤르츠(Heinrich Hertz, 1857~1894)는 전자기파 의 발생과 측정을 실험적으로 증명하였다. 즉, 전자기파 펄스를 발생시키고 그것을 관측했던 것 이다. 그러나 헤르츠가 요절함으로써 전자기파를 이용하는 무선전신(wireless telegraphy)의 성 공은 마르코니의 손으로 넘어갔다.
그림 12. 마르코니와 무선전신기의 구조
마르코니(Guglielmo Marconi, 1874~1937, 1909년 노벨물리학상)는 장거리 무선전신에 도전 하였다. 무선전신은 유선통신과 달리 도선(wire)을 사용하지 않고 모르스(Samuel F. Morse, 1791~1872, 모르스 신호의 창시자) 신호를 먼 거리에 전달하는 것이다. 마르코니는 스파크 갭 송신기(spark gap transmitter)를 이용하여 전자기파를 발생시켰다. 스파크 갭 사이에 점프-스 파크(jump-spark) 코일을 이용하여 수만 볼트를 걸어주면 이 전압이 갭(gap) 사이의 공기를 이 온화시킴으로써 전자기파가 발생된다. 이는 번개가 발생하는 것과 동일한 메커니즘이다. 마르코 니의 송신기는 헤르츠가 사용한 것과 동일한 것이었다. 1890년경에 브랜리(Edouard Branly, 1844~1940)는 전자기파를 탐지하는 수신기를 개발하였다. 브랜리 코히러(coherer)는 양극(two electrode)을 가진 진공관 안에 니켈입자를 넣은 전자기파의 수신기이다. 코히러는 외부의 교류 신호에만 반응하여 전류가 흐름으로써 전자기파를 감지하는 장치이다. 마르코니는 기존의 장치들 을 개선 및 접지를 통해 1895년 약 2.4km의 거리까지 신호를 전달하는데 성공했다. 그리고 1899년 영국해협사이에 신호를 주고받는데도 성공하였다. 1901년에 마르코니는 150m 길이의 수신안테나를 이용하여 영국의 콘웰(Cornwall)로부터 송신한 모르스 신호(S)를 콘웰에서 3,500km 떨어진 캐나다의 뉴파운드랜드(Newfoundland)에서 수신하는데 성공하였다. 그 후 마 르코니는 매사츄세츠주의 웰프리트(Wellfleet)에 전파소를 설치하였고, 1903년에는 루즈벨트 대 통령에게 장문의 메시지를 보낼 정도로 무선전신을 발전시켰다. 이와 같은 무선전신에 기여한 공 로로 그는 1909년 노벨물리학상을 수상하였다.
마르코니의 무선전신은 모르스 부호를 이용한 메시지를 전달하는 형태이다. 전자기파를 이용 하여 사람의 소리를 전달하는 무선전화(telephony)는 작은 신호를 큰 신호로 증폭시키는 증폭기 의 발견이후에야 가능해졌다. 진공관을 이용한 최초의 증폭기(audion)가 1906년 포리스트(Lee De Forest, 1873~1961)에 의해 발명되었다. 이 증폭기는 전자기파 신호를 발생시키는 진동자 (oscillator)로도 사용할 수 있었기 때문에 마르코니 송신기의 점프-스파크 코일의 역할도 대신 하였다. 삼극진공관(triode)이 점점 개선됨으로써 사람의 음성을 전자기파에 실을 수 있게 되었고 (AM:amplitude modulation, FM:frequency modulation), 이에 따라 1920년대에는 상업 라디 오 방송국이 출현하였다. 그러나 1947년에 쇼클리, 바딘, 블래틴(Shockley, Bardeen, Brattain, 1956년 노벨물리학상)이 반도체를 이용한 트랜지스터를 발명함으로써 반도체 시대가 열렸고, 이에 따라 삼극진공관은 더 이상 사용하지 않게 되었다. 마르코니의 무선전신은 현재의 이동통신의 효시가 된다. 반도체 소자, 집적회로, 통신위성 등의 출현으로 현재에는 무선으로 언 제 어디서에서든 음성이나 영상의 송수신이 가능하게 된 것이다.
라디오파의 영역 및 응용분야
명칭 파장영역 진동수영역 사용분야
ELF 1000km~105km 3Hz~300Hz
ULF 100km~1,000km 300Hz~3kHz 음성진동수영역 VLF (초장파) 10km~100km 3~30kHz 선박
LF (장파) 1km~10km 30~300kHz 항해용
MF (중파) 100m~1km 300~3,000kHz 항공, AM방송 HF (단파) 10m~100m 3~30MHz HAM, 단파방송 VHF (초단파) 1m~10m 30~300MHz FM 방송, TV UHF (극초단파) 10cm~1m 300MHz~3GHz TV 방송, 이동통신 SHF (cm파) 1cm~10cm 3~30GHz 위성통신
EHF (mm파) 1mm~10mm 30~300GHz 미사일, 우주통신 THF 0.1mm~1mm 300~3,000GHZ
브라운(Karl F. Braun, 1850~1918)은 1909년 노벨물리학상을 마르코니와 공동으로 수상하 였다. 그들의 수상은 무선전신에 이룩한 업적 때문이었다. 브라운은 무선송신기를 위한 공진회로 (tuned circuit)를 고안하였고, 유도결합을 이용하여 송신기와 안테나를 분리하였다. 또한, 수신 기에서 결정체를 사용하여 신호를 받는 것을 고안하였다. 전자기파의 송수신기는 기본적으로 인 덕터(, 코일)와 축전기()가 연결된 공진회로로서 이 회로가 송수신하는 진동수는 로 주어진다. 마르코니도 브라운이 고안한 공진회로를 사용하였다.
브라운은 1897년 브라운관(Braun tube)을 최초로 고안하였다. 이를 CRT(cathode ray tube)라고도 부른다. CRT는 디스플레이 장치(전자신호를 인간의 눈으로 볼 수 있게 만드는 장 치)의 효시이다. 또한 이를 이용하여 전자신호를 관측하는 오실로스코프(oscilloscope)로도 사용 할 수 있다. CRT는 진공관 안에 전자를 발생시키는 전자총, 전자의 방향을 휘게 하는 편향판 (deflection plate, 영상신호의 입력), 전자가 부딪혀 빛을 내는 형광스크린(fluorescent screen)
국이 생긴 이래로 브라운관 TV는 오랫동안 독보적인 전자디스플레이 장치로 이용되었다. 그러나 1980년대에 액정(Liquid Crystal)을 사용한 LCD가 출현함으로써 브라운관 TV는 새로운 도전에 직면했다. LCD는 처음에는 소형화면에 사용되다가 컴퓨터 모니터와 TV로 영역을 확대했다. 그 리고 2007년 LCD TV는 브라운관 TV를 추월했다. 전문가들은 LCD가 여러 가지 문제점 때문에 대형 TV로 사용되기에는 부적당하다고 생각했다. 시야각이 좁고 반응속도도 늦은 문제도 있고, 또한, LCD는 자체적으로 빛을 내는 디스플레이가 아니므로 후방 광원이 필요한 디스플레이기에 밝기, 명암대비 등에서 대형 TV로는 부적당하다는 것이었다. 전문가들은 LCD는 픽셀(화소) 하나 하나를 제어하는 트랜지스터(thin film transistor, 이에 따라 LCD를 TFT-LCD라 부른다)를 만 들어야 하므로 화면이 커질수록 불량이 많이 나기에 대형 화면의 TV로는 부적당하다고 생각했 다. 그래서 PDP(Plasma Display Panel, 형광등과 비슷한 원리)가 대형 화면에는 맞을 것으로 예상했다. 그러나 전문가들의 예상과는 다르게 LCD는 위에 언급한 단점들을 모두 극복했다. 이 에 따라 대형 화면의 LCD TV들이 공급되기 시작했고, PDP TV는 자취를 감추었다. LCD의 단 점인 밝기도 후방 광원으로 LED를 사용함으로써 해결했다. 이에 따라 소위 LED TV(후방 광원 이 LED일 뿐이다. LED 디스플레이는 스타디움이나 광고용 전광판에 사용되고 있다.)가 대세를 이루게 되었다. 현재는 후방 광원으로 양자점(quantum dot, 입자가 나노 크기이면 그 크기에 따라 독특한 빛을 발산한다. Red, Green, Blue, 빛의 삼원색을 발산하는 나노입자를 사용한다.) 을 사용하는 Q-dot LCD TV도 출현하고 있다. 그러나 LCD TV도 브라운관 TV의 전철을 밟지 않는다고 장담하기 어렵다. LCD를 대체할 수 있는 것으로 OLED(유기발광, organic LED)나 마 이크로 LED(전광판에 사용하는 LED보다 훨씬 작은 크기)가 거론되고 있다. 특히, 유기발광체를 사용하면 유연한(접을 수 있는, flexible) TV도 가능하다. 작은 크기로 접어서 다니다가 필요하면 펼칠 수 있는 디스플레이가 가능하다. 현재 대형 OLED TV가 시판되고 있으나, 가격 면에서 LCD TV보다 훨씬 비싸므로 판로가 제한적이다. 또한, 휘는 OLED TV의 시제품도 나오고 있다.
앞으로 디스플레이의 기술 발달이 어떤 방향으로 전개될지 모르지만, 계속 새로운 디스플레이 장 비가 개발될 것이다. 이러한 영상수신 장치의 효시인 브라운관을 만든 브라운은 세상을 바꾸었 다고 할 수 있다.
1993년에 나카무라 슈지(中村 修二, なかむら しゅうじ, 2014년 노벨물리학상, UC 산타바 바라 대학 교수)는 GaN를 이용하여 그 전의 청색 LED보다 밝기가 100배 이상인 청색 LED를 개발하였다. 이에 따라 야외 디스플레이로 청색 LED의 사용이 가능하게 되었다. 청색 LED가 없 었을 때는 야외 전광판에 적색과 녹색 LED만을 사용하여 그 색이 자연스럽지 못했다. 빛의 삼원 색인 적색, 녹색, 청색이 모두 있어야 천연색을 제대로 표현할 수 있다. 그런데 청색 LED의 개
발로 야외 전광판에 완전한 색의 구현이 가능해졌다. 그리고 청색 LED의 개발로 백색 LED가 가 능해져 LED를 조명기구로도 사용하게 되었다. 청색, 녹색, 적색 LED를 혼합하면 백색을 만들 수 있다. 또한, 청색 LED와 황색 형광체를 이용함으로써 백색 조명을 구현할 수 있다(이 방법이 저렴하고 간단하므로 대부분 백색 LED는 이를 사용하고 있다). 1879년 에디슨의 백열전구 발명 으로 인류는 새로운 조명을 사용하게 되었다. 그러나 백열전구는 효율이 높지 않아서, 그 사이 형광등이 개발되어 조명기구로 사용됐다. 그러나 형광등은 그 빛이 자연광에 미치지 못하는 단점 이 있었다. 그런데 청색 LED의 발명으로 LED를 조명으로 사용하게 됨으로써 자연광에 가까운 빛을 저렴하게 사용할 수 있는 길이 열렸다. 이에 따라 나카무라 슈지는 인류에게 새로운 조명 장치를 가능하게 한 노벨물리학상 수상자라 할 수 있다.
그림 13. 브라운과 CRT의 구조
그림 14. 나까무라 슈지와 조명과 광고탑에서 LED의 응용
3. 기체의 액화 및 초전도체의 발견
기체의 액화를 위해서는 J-T(Joule-Thomson)밸브가 필수적이다. 이를 고안한 사람이 줄 (James P. Joule, 1818~1889)과 톰슨(William Thomson, Lord Kelvin으로 남작작위를 받음, 1824~1907)이다. 단열적으로 기체나 액체를 밸브나 다공질 물질(porous plug)을 통해 팽창시키 면 기체나 액체의 온도가 내려가는 현상이 J-T효과이다. 이 효과는 1852년 발견되었다. J-T밸브 는 이 J-T효과를 이용한 것이다. J-T 밸브는 냉장고, 에어컨, 기체액화기 등에 필수적인 장치이 다. 콤프레셔에 의해 압축된 냉매(기체)가 냉장고 안에 있는 J-T밸브에 의해 팽창됨으로써 냉매 의 온도가 내려가서 냉장고 안의 온도를 내리는 것이다. 에어컨도 이와 동일한 원리이다. 냉장고 와 에어컨은 현대생활에서는 없어서는 안 될 필수품이 되었다. 이는 모두 줄과 톰슨의 덕이다.
그림 15. 줄, 톰슨(켈빈)과 냉장고의 구조
줄과 톰슨은 현대 열역학을 확립한 사람들이다. 그들은 열역학 제1법칙과 제2법칙을 확립하 였다. 줄은 열의 성질에 대해 연구했으며 열의 일당량을 구하였다. 1칼로리는 물 1그램을 1oC 올리는데 필요한 열의 량이다. 줄은 열도 에너지(일)의 일종이라고 보고, 둘 사이에 관계인 열의 일당량을 구하여 1칼로리는 4.2J에 해당된다는 결과를 얻었다. 반면에 톰슨은 정확한 절대영도의 값이 –273.15oC임을 밝혔고, 이에 따라 절대온도체계를 확립하였다. 그리고 줄은 저항에 의해 소모되는 에너지인 줄열(Joule heat, )에 대한 실험도 행하였다. 이와 같이 줄과 톰슨은 J-T 밸브를 통해 기체의 액화를 가능하게 했으며 또한 현대 열역학의 토대를 이루었다.
그림 16. 온즈와 헬륨액화기의 구조
시키는데 성공하였다. 이에 따라 공기를 시작으로 액체화가 시도된 이후로 영원한 기체는 존재하 지 않는다는 사실을 확인하게 되었다. 액체헬륨은 냉동액체 중에 가장 온도가 낮은 액체(4.2K)이 다. 온즈는 액체헬륨을 펌핑시켜 강제증발시킴으로써 온도를 1.4K까지 내릴 수 있었다. 그리고 1911년 4.2K이하에서 고체수은의 저항이 없어지는 현상을 발견하였다. 그는 이 현상을 초전도 (superconducting state)로 명명하였다. 그는 액체헬륨의 온도가 2.7K이하가 되면 점성이 없어 지는 초유체(superfluid)가 된다는 사실을 발견했었는데, 이를 크게 중요하지 않다고 보고 발표 하지 않았다. 이는 그가 죽은 후 1백년이 지난 시점에 그의 실험노트에서 초유체 현상에 대한 실 험결과가 발견됨으로써 확인되었다.
초전도체에 대한 이론적인 설명은 1957년 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼(John Bardeen, 1908~1991, Leon N. Cooper, 1930~ , John R. Schrieffer, 1931~ )에 의해 주어졌다. 그들이 제안한 BCS 이론에 의하면 초전도체 상태에서는 전자들이 포논(phonon, 격자운동의 양자)과의 상호작용에 의해 쌍(Cooper pair)을 이룬다. 이에 따라 전자쌍은 보존(boson)과 같이 행동하며 모든 전자쌍 이 가장 낮은 에너지 상태에 존재하는 응축(condensation)현상이 일어난다. 이에 따라 저항이 없어지는 현상이 발견된다. 위 세 사람은 초전체 현상을 설명한 공로로 1972년 노벨물리학상을 수상하였다. 1962년 조셉슨(Brian D. Josephson, 1940~ )은 초전도체-부도체-초전도체 접합에 서 전자쌍이 부도체를 넘어 터널링할 것이라고 예측하였다. 이후 이 현상이 실험적으로 확인됨으 로써 조셉슨은 1973년 노벨물리학상을 수상하였다. 이 조셉슨효과는 SQUID(초전도 양자 간섭 장치, superconducting quantum interference device)에 응용되어 아주 정확한 자화도(물질 의 자기적 성질의 측도)를 측정하는데 널리 이용되고 있다.
BCS이론에 의하면 30K 이상에서 초전도체가 되는 물질은 없을 것이라고 예측되었는데 1986 년 베드노즈와 뮐러(Greog Bednorz, 1950~ , Karl A. Müller, 1927~ )는 란탄나이드 (lanthanide)를 기본으로 하는 세라믹 물질에서 35K에서 초전도체가 되는 것을 발견하였다. 이 를 고온초전도체라고 부른다. 그들은 이 공로로 1987년 노벨물리학상을 수상하였다. 이후 란탄 나이드 대신에 이트륨(yttrium)을 기본으로 하는 YBCO(yttrium barium copper oxide) 물질이 92K에서 초전도체가 되는 것이 확인되었다. 그러나 아직 고온초전도체에 대한 이론적인 설명은 성공하지 못하고 있다.
액체헬륨을 이용하거나 레이저 냉동을 통해 저온 환경을 만들어 저온에서 보이는 특이한 물성 에 대한 연구가 활발해졌다. 거시적 양자현상을 보이는 보즈-아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensation)을 보기 위해서는 저온이 필수적이다. 이에 대해 레이저 냉동을 이용한 일련의 실 험들이 이루어지고 있고(1997, 2001, 2012년 노벨물리학상), 이를 양자컴퓨터에 응용하려는 연구
가 계속되고 있다.
냉동액체는 로켓에 추진제나 산화제로 사용되어 인공위성이나 핵탄두를 실어 나르는데 사용되 고 있다. 통신위성이 없었다면 현재의 통신혁명은 이루어지지 못했을 것이다. 이런 점에서 줄, 톰슨, 온즈로 이어지는 연구자에 의해 추구되어 온 냉동물리 또는 저온물리가 세상을 바꾸었다 고 할 수 있다.
분야 수상 수상자들 업적
저온물리
1911 Heike K. Onnes 액체헬륨 생산 1962 Lev D. Landau 초유체 이론 1978 Pyotr L. Kapitza 저온물리 발전
1996
David M. Lee
Douglas D. Osheroff Robert C. Richardson
헬륨3의 초유체
1997
Steven Chu
Claude Cohen-Tannoudji William D. Phillips
레이저 냉동
2001
Eric A. Cornell Wolfgang Ketterle Carl E. Wieman
보즈-아인슈타인 응축
2003
Alexi A. Abrikosov Vitaly L. Ginzburg Anthony J. Leggett
초전도, 초유체 이론
2012 David J. Wineland
Serge Haroche 이온 가둠, 양자컴퓨터
초전도체
1911 Heike K. Onnes 수은의 초전도체
1972
John Bardeen Leon N. Cooper John R. Schrieffer
초전도체 이론, BCS 이론 1973 Brian D. Josephson 조셉슨 효과 1987 Georg Bednorz
Karl A. Müller 고온초전도체 발견
2003
Alexi A. Abrikosov Vitaly L. Ginzburg Anthony J. Leggett
초전도, 초유체 이론
4. 질량-에너지 등가원리, 원자폭탄과 원자로, 핵의약
아인슈타인은 1905년 4편의 논문을 연달아 발표했다. 첫 번째 논문은 6월에 나왔는데 광전효 과를 프랑크(Max Planck, 1858~1947, 1918년 노벨물리학상수상)의 광양자 개념을 이용하여 설 명한 것이었다. 이 업적은 양자(파동)역학의 태동에 결정적 역할을 했으며, 이 논문의 업적으로 아인슈타인은 1921년 노벨물리학상을 수상하였다. 두 번째 논문은 7월에 발표한 브라운 운동에 대한 논문이었다. 브라운 운동은 식물학자인 브라운(Robert Brown, 1773~185)이 물에 띄운 꽃 가루 입자를 현미경으로 관찰하던 중 무질서한 운동을 관찰하였다. 그는 다른 미립자들을 물에 녹였을 때도 동일한 불규칙한 운동이 관찰됨을 확인하였다. 아인슈타인은 미립자들의 불규칙한 운동을 미립자와 액체원자와의 무질서한 충돌을 그 원인으로 보고 통계역학적인 방법으로 설명 하였다. 그 후 페렝(Jean B. Perrin, 1870~1942)은 미립자에 대한 브라운 운동을 실험적으로 측 정하여 아인슈타인의 예측을 증명하였다. 그는 이 업적으로 1926년 노벨 물리학상을 수상하였 다. 세 번째 논문은 9월에 발표한 특수상대성이론에 대한 논문이다. 이 논문은 아인슈타인을 유 명하게 만든 논문이다. 물체의 속도가 광속에 가까울 경우 뉴턴역학은 수정되어야 한다는 것이었 다. 그리고 물체가 광속에 가까운 속도로 움직일 경우 운동계와 정지계의 시간은 다르다는 결과 를 준다. 즉, 특수상대성이론은 정지계와 일정한 속도(광속에 가까운 속도)로 움직이는 관성계사 이의 상대성이론이다. 1915년 아인슈타인은 정지계와 가속계(중력계)사이의 상대론인 일반상대성 이론도 발표를 하였다. 일반상대성이론은 우주론에 심대한 영향을 주게 된다. 네 번째 논문은 질 량과 에너지의 동등성에 관한 논문이다. 즉, 물질의 질량이 곧 에너지라는 것이다. 이는 유명한 관계식으로 로 표현된다. 질량-에너지 동등성은 핵의 결합에너지를 설명한다. 핵이 분열 되면 핵의 결합에너지가 방출되며, 우라늄 235 또는 프로토늄 239가 연쇄적으로 분열되면 막대 한 에너지가 방출되는데 이것이 바로 원자폭탄의 원리가 된다. 원자폭탄은 이로 인해 인류가 멸 망할지도 모른다는 공포감을 주었지만 한편으로는 원자력을 이용한 원자력발전이 가능하게 되어 인류에게 보탬이 되기도 하였다. 1942년 페르미(Enrico Fermi, 1901~1954, 1938년 노벨물리학 상)는 최초의 원자로를 만들었다. 핵분열의 속도를 조절하여 연쇄반응을 천천히 유지시킨 것이다.
이 원자로의 개념은 곧 원자력발전에 응용되었다. 그리고 원자로를 이용하면 다양한 인공 방사 능 원소들이 만들어지고 이 방사능 원소들이 병의 진단과 치료에 사용될 수 있게 되었다.
그림 17. 페르미와 원자로의 내부
방사선은 불안정한 핵이 안정한 핵으로 바뀌면서 외부로 방출하는 고에너지 입자와 전자기파 를 말한다. 방사선은 입자로는 헬륨의 핵인 알파입자, 전자(입자, ), 양전자(입자, )가 있고, 전자기파로는 감마()선이 있다. 현재 약 1,850개의 핵종이 알려져 있다. 이 중에서 280개 가 안정한 핵이고 나머지는 불안정한 핵종인 방사능 핵종들이다. 방사능 핵종은 자연방사능 핵종 과 인공방사능 핵종으로 나눌 수 있다. 자연방사능 핵종의 수는 많지 않고 거의 대부분은 인공방 사능 핵종들이다. 원자번호가 83이상은 모두 방사선 핵종인데 45종이 있고, 원자번호가 83번이 하의 방사능핵종은 15개뿐이다.
방사능 핵종은 병의 진단과 치료에 많이 사용되고 있다. 이를 위해서 인공방사능 핵종을 만들 어야 한다. 인공방사능 핵종을 만드는 방법에는 원자로를 이용하는 방법, 사이클로트론과 같은 입자가속기를 이용하는 방법, 핵종발생기를 이용하는 방법 등이 있다.
원자로 안에 물질을 두면 그 물질이 원자로에서 발생되는 중성자를 포획하여 다른 물질로 바 뀐다. 몰리브덴 99, 요오드 131 등이 이러한 방법으로 만들어진다. 그리고 원자로의 연료인 우 라늄 235가 핵분열하면서 원자번호 30에서 66까지의 방사능 원소들이 만들어진다. 이 중에서 요 오드 133, 제논 133, 몰리브덴 133이 의료에 많이 이용된다.
사이클로트론은 입자가속기의 일종으로 1930년 로렌스(Ernest lawrence, 1901~1958)가 최 초로 만들었다. 이 공로로 그는 1939년 노벨물리학상을 수상하였다. 사이클로트론은 양성자 또 는 알파입자 등을 자기장 속에서 전기장에 의해 연속적으로 가속시키는 장치이다. 이렇게 고속으 로 가속된 입자와 물질을 핵반응시키면 새로운 인공 방사능 핵종이 얻어진다. 이 방법으로 불소 19, 산소 15, 코발트 57 등이 만들어진다.
