- 작성자
- 주승환
2005/04/03
<주승환의 원자력 세상 보기(29): 처음 만든 인공 방사성동위원소>
오늘이 “울진대게축제” 날이다. 글을 올리면서 생각은 어지간히 착잡해 진다. 비록 현장에 가서 고향의 축제 분위기에 빨려들지 못할지라도, 마음은 줄곧 온 군민들 그리고 고향을 찾는 타향살이들과 함께 어울려 즐거움을 만끽할 현장으로 달려간다.
이번 글은 세기적 사건이었고, 우라늄의 원자핵을 쪼갠 실험이 발표될 무렵에 있었던 얘기를 소개한다. 마치 큰 사건을 예고하듯 선행하는 지진처럼, 핵물리학이 태동하던 시기에 아주 단순한 원자핵의 실험으로 밝혀졌던 중요한 과학사의 한 단면을 내용으로 담았다.
‘반물질’이란?
1933년 10월, 벨기에 수도, 브뤼셀에서는 핵물리학을 주제로 국제학술회의가 열리고 있었다. 제7회 솔베이 학술회의이다. 처음으로 핵물리학 논문들을 발표하고 토론한 마당이었다. 거기에는 젊은 남여 학자들뿐만 아니라 나이든 선배 학자들도 함께 참여하고 있었다.
이 학술회의가 열리기 1년 전인, 1932년 8월 2일, 미국의 캘택(캘리포니아 공과대학)의 물리학자 칼 앤더슨(Cal Anderson) 교수는 그동안 우주선을 조사하면서 찍어둔 안개상자 사진들을 자세히 들여다보다가 우주선이 남긴 궤적들 속에 이상한 알갱이가 지나간 흔적 사진이 찍혀져 있는 것을 보고 깜짝 놀란다(그림 AE-4).
이런 알갱이는 마이너스(-) 전하가 아닌, 플러스(+)의 전하를 가진 전자임을 알게 된다. 보통 전자 알갱이들은 전기적 성질이 마이너스인 것인 데, 느닷없이 플러스를 갖는 것도 있음을 처음으로 알게 됐다. 우주 공간에는 이런 물질들이 무수히 있고, 대표적인 것이 블랙홀이다. 우리가 알고 있던 전자는 음전자로 불러야 하고, 여기에 반대될 알갱이는 ‘양전자(陽電子)’라 부른다. 흔히들 말하는 ‘반물질(反物質)’이 바로 그와 같이 쌍으로 있는 보통 알려진 알갱이완 전혀 다른 물질을 말한다.
물질세계에는 반물질이 있어 그것이 정상 물질과 합치면, 두 질량들은 찰나에 사라지고 몽땅 에너지로 변해버린다. 지구에 대한 ‘반지구’가 있다면, 두 쌍이 합칠 때 어떤 일이 벌어질까? 남는 것은 하나도 없고 오로지 우주개벽을 일으킬 에너지만 남는다.
그는 양전자를 찾아낸 공로로 1936년 노벨물리학상을 받게 된다. 이런 일이 있고 난 다음, 세계 물리학자들은 모두가 이전에 안개상자로 찍어 보관해오던 우주선 사진들을 다시 들춰보고 그 사실을 확인하려 했다. 그들 중에서 분통이 터질 한 쌍의 부부 과학자가 있었다.
졸이오 부부의 집념
졸리오-퀴리 부부는 이번에도 양전자 발견의 기회를 놓쳤다. 후회됐지만, 그들이 찍었던 사진에는 양전자의 궤적이 선명하게 나타나 있었다. 동양 고전들 중,『대학』은 “격물치지”를 중요 사상으로 다루고 있다. “격물”과 “치지”는 한 통속으로 이어질 철학 개념이므로 둘의 경계는 가르기가 아주 애매할 수도 있을 것이다. 하지만, 필자가 보기엔 그 부부는 “격물”은 했었지만, 아쉽게도 “치지”에는 이르지 못한 것으로 보여 진다. 그 궤적이 무엇을 뜻하는지를 눈여겨보지 못한 실수를 범한 것이다. 그들은 분통을 삼키고는 다시 마음을 다잡고 우주 물질인 새 알갱이를 찾으려고 안개상자를 다시 손질하기 시작했다.
전에, 그들이 찾아내어 이름붙인, 폴로늄 원소의 알파선을 주기율표에서 중간 정도에 들 원소들에 쬐면, 양성자들이 튀겨져 나온다는 사실을 알게 된다. 특히, 알루미늄 그리고 보론 들은 때때로 중성자를 튀겨내고 난 후, 뒤따라 양전자가 튀겨 나온다고 솔베이 학술회의에서 발표했다.
발표장에 참석했던 마이트너(나중에 우라늄의 핵분열을 발견하는 데 결정적인 공을 세우지만, 그녀는 유대인이기에 히틀러 정권에서 쫓겨 다닌 기구한 신세가 되고 만다)는 당시 베를린의 카이저 빌헬름연구소에서 비슷한 실험을 해보았지만, 중성자를 발견하지 못했다고 맞받아쳤다.
참석했던 대부분의 과학자들은 마이트너 편에 쏠렸고. 졸리오-퀴리 부부는 사기가 떨어져 입장이 난감했다. 그녀의 신랄한 지적은 그들에게 심한 자극제로 작용하였고, 새로운 문을 열개했던 계기가 됐다. 그게 바로 앞서 얘기했던, 인류 최초의 인공 방사성동위원소(P-30)를 만들게 한 동기였다.
P-30 방사성동위원소 발견 실험
회의가 끝나자, 파리로 돌아온 부부는 알루미늄 핵이 알파선(알갱이들이 모여진 빔)을 맞고, 양성자 대신 중성자와 양전자를 튀겨내는 것은 알파선 에너지의 세기에 문제가 있었다는 생각을 하게 됐다. 그들은 폴로늄 소스를 전보다는 표적으로부터 더 멀리 떨어지게 놓고, 알파선이 공기 속으로 나르면서 공기 알갱이들과 충돌하여 알파선의 운동 에너지가 거의 없어질 정도에 가까워진, 아주 약한 에너지로 충돌시킨 순간, 알루미늄 원자핵에서 중성자 그리고 양전자의 알갱이들이 튀겨져 나오는 것을 확인했다.
실험은 계속됐다. 중성자가 튀겨나지 않을 때까지 알파선의 운동 에너지를 낮춰갔다. 드디어 중성자는 나오지 않았다. 하지만, 방사능을 감시하던 가이거 계수기는 계속 소리를 내고 있었다. 무슨 일이 벌어지고 있다는 생각이 들었다. 약 3분 동안 계수기 소리는 계속되다가 약해졌다. 방사성동위원소(RI)의 반감기란 생각은 미쳐하지 못했고. 계수기의 고장으로 여겼다. 라듐연구소에 와서 두 부부의 연구를 돕던 독일 물리학자 볼프강 겐트너가 계수기는 이상 없음을 확인해 주었다.
그 실험은 새로운 RI를 만들 한 방법으로 등장했고, 그 방법으로 두 부부는 최초의 인공RI를 만들어낼 수 있었다.
그들은 핵반응이 어떻게 일어날 수 있었는지를 따져봤다. 원자번호가 13인, 알루미늄의 원자핵에는 당연히 13 개의 양성자들이 있고, 그리고 14 개의 중성자들도 들어있다. 폴로늄에 나온 알파 알갱이는 원자번호가 2 번인 헬륨의 원자핵과 같고, 양성자 수효는 원자번호와 같으므로 2 개이다. 그리고 중성자 수효도 2 개이다. 한 알루미늄 원자 그리고 한 알파 알갱이들을 서로 합치면, 양성자 수효가 15 개로 되므로, 원자번호는 15번인 인(燐, 원소기호 P)이 되고, 중성자 1 개가 튀겨져 나가 없어졌으므로 나머지 중성자 소효는 15 개, 이 둘을 합치면, 질량은 30이 된다. 새 원자는 "P-30"이란 RI가 만들어졌던 것이다.
두 부부는 그 공로로 1935년 노벨화학상을 받게 된다. 만일 마이트너의 신랄한 논박이 없었다면, 일상적으로 해오던 실험에서, 아주 주의 깊게 관찰할 엄두를 내지 못했을지도 모른다. 네티즌들도 하시는 일들이 비록 판에 박혀진 일상적인 일일지라도 한번 쯤, 주의를 기울려 일 속을 살펴본다면, 아마도 더 나은 방법을 찾아낼 수도 있지 않을까요?
그들은 1934년 1월 15일자 파리에서 발간되는 《Comptes Rendus》 그리고 며칠 뒤인 19일 런던에서 발간되는 《네이츠》에 관련 논문을 발표했다.
노벨상 수상자의 원자력 전망
졸리오는 노벨상을 수상하면서 소감을 털어놓았다. 그 변화에서 생긴 RI 양은 10-15 그램보다도 적었으므로 원자 알갱이 수효로는 수백만 개 정도일 것이다. 보통 화학실험으로서는 그 양을 측정할 수가 없다. 다행히 가이거 계수기는 이들이 내는 방사능을 쉽게 셀 수 있으므로 다른 화학 반응과 연계시켰다.
알루미늄은 염산에 잘 녹는다. 알루미늄을 위의 방식으로 알파선을 적당히 쬐고 나서, 묽게 만든 염산이 담긴 병에 넣고 녹이면 화학반응을 일으켜 수소가스가 생겨난다. 알루미늄이 방사선을 맞아 새로 생겨난 RI 원자도 수소가스에 섞여 염산 용액 위로 솟아오른다. 시험관을 거꾸로 세우고 수소가스를 잡아 가이거 계수기롤 대면, 거기에 섞인 RI 방사능이 소리를 지른다. 주의할 점은 그 RI 반감기가 3 분이므로 빨리 일을 끝내야 한다. 그 RI가 인의 원자인 것은 정성분석으로 쉽게 가려낼 수 있다.
그리곤, 소감을 마무리하면서 과학이 발전하고, 과학자들이 원한다면, 마음대로 원소들을 만들고 부셔버릴 수도 있을 것이며, 폭발적인 모습의 원소 변환도 가능할 것이다. 이런 변화가 물질 속에서 일어날 수 있게 한다면, 무한한 에너지를 얻어낼 수 있을 것이라고 전망했다. 앞으로 다가올 원자력 시대를 조망한 과학자의 안목 이였다.
/주승환, 고려공업검사(주) 연구소장, 공학박사, 현 한국기술사회의 홍보위원.
※이 글은 “주승환마당”(http://blog.daum.net/choo6261blog)에 올립니다. 그동안 홈피에 올린 지난 글들, 그리고 전문지, 신문 등에 기고된 많은 글들이 거기에 정리 될 것입니다.