[1994 노벨물리학상] 브록하우스 & 셜 : '중성자'로 물질의 '위치'와 '움직임'을 보다

 

 

 

 

📜 들어가며: X선이 보지 못했던 세계

 

20세기 초, 물리학은 막스 폰 라우에 [1914년 수상]와 브래그 부자 [1915년 수상]가 선물한 'X선 회절'이라는 강력한 '눈'을 갖게 되었습니다. 인류는 X선을 이용해 결정 속 '원자들의 배열' [구조]을 보게 되었고, 이 기술은 1953년 DNA 이중 나선 구조의 발견에서 정점을 찍었습니다.

하지만 이 강력한 'X선의 눈'에게도 치명적인 '맹점'이 있었습니다.

1. '가벼운' 원소를 보지 못한다: X선은 원자의 '전자 구름'에 부딪혀 산란됩니다. '수소' [H]처럼 전자가 1개뿐인 원자는 X선에게는 '투명'하게 보일 뿐이었습니다. 물, 플라스틱, 그리고 생명체의 핵심인 수소의 위치를 알 길이 없었습니다.
2. '자성'을 보지 못한다: X선은 원자의 '스핀' [자석의 성질]에는 반응하지 않았습니다. 루이 네엘 [1970년 수상]이 예언했던 '반강자성'처럼, 원자 자석들이 내부적으로 어떻게 정렬되어 있는지 '볼' 방법이 없었습니다.
3. '움직임'을 보지 못한다: X선은 원자들의 '정지 사진' [평균 위치]만을 찍을 뿐, 그 원자들이 제자리에서 어떻게 '떨고' [진동], 그 진동이 어떻게 옆으로 전달되는지[포논, Phonon]는 알려주지 못했습니다.

물질을 '완벽하게' 이해하기 위해, 인류는 X선을 대체할 새로운 '탐침' [Probe]이 필요했습니다. 그 해답은 1932년 제임스 채드윅 [1935년 수상]이 발견한 중성자 [Neutron]에 있었습니다.

1994년 노벨 물리학상은, 제2차 세계대전 이후 '원자로'에서 쏟아져 나오는 이 '중성자'를 이용해, 물질의 '위치'와 '움직임', 그리고 '자성'까지 꿰뚫어 보는 '중성자 산란' 기술을 창시한 두 명의 위대한 선구자, 버트럼 브록하우스 [Bertram N. Brockhouse]와 클리퍼드 셜 [Clifford G. Shull]에게 수여되었습니다.

 

🏆 영광의 수상 이유: "중성자 산란 기술의 개척"

 

스웨덴 왕립 과학 아카데미는 1994년, 이 두 거장에게 노벨 물리학상의 영광을 절반씩 나누어 수여했습니다. [발견은 1940~50년대에 이루어졌습니다.]

"중성자 산란 [neutron scattering] 기술의 개발에 대한 그들의 선구적인 공헌을 기리며"

이들의 업적은 '응축 물질 물리학' [Condensed Matter Physics, 고체/액체 물리학]에 X선과 맞먹는, 혹은 그를 능가하는 새로운 '패러다임'을 제공한 것입니다.

셜은 '어디에 있는가?'라는 질문에 답했고, 브록하우스는 '무엇을 하고 있는가?'라는 질문에 답했습니다.

• 클리퍼드 셜 [Clifford Shull]: 중성자 회절 [Neutron Diffraction] 기술을 개발했습니다. 그는 '탄성 산란' [에너지 손실 없는]된 중성자를 분석하여, 원자들이 정확히 어디에 위치하는지 그 '정적인 구조'를 밝혀냈습니다. 특히 '수소'의 위치와 '자기 구조'를 최초로 측정했습니다.
• 버트럼 브록하우스 [Bertram Brockhouse]: 비탄성 중성자 분광학 [Inelastic Neutron Spectroscopy]을 창시했습니다. 그는 원자와 충돌하며 에너지를 '주고받은' 중성자를 분석하여, 원자들이 어떻게 움직이고 진동하는지 그 '동적인 상태' [포논]를 최초로 측정했습니다.

 

💡 '중성자'라는 완벽한 탐침

 

왜 '중성자'가 X선을 능가하는 완벽한 탐침이었을까요?

1. 전하가 없다: 중성자는 전기적으로 '중성'이어서, 원자의 '전자 구름'에 방해받지 않고 원자핵 깊숙이 침투하여 그 '핵' 자체와 충돌합니다.
2. 수소도 잘 본다: 중성자는 '수소' 원자핵[양성자]과도 매우 강하게 상호작용합니다. 드디어 '물' 속 수소의 위치를 볼 수 있게 되었습니다.
3. '자석'이다: 중성자 자신도 '스핀'을 가진 작은 '자석'입니다. 따라서 물질 내부의 '원자 자석' [스핀]들과 상호작용하여, 눈에 보이지 않는 '자기 질서'를 측정할 수 있습니다.
4. '적절한' 에너지: '느린 중성자' [열중성자]의 '물질파 파장' [드 브로이]은 원자 사이의 간격과 비슷하고 [구조 분석에 최적], 그 '에너지'는 원자의 진동 에너지[포논]와 비슷합니다. [운동 분석에 최적]

문제는 이 '중성자'를 어떻게 다루느냐였습니다. 이 과제를 푼 것이 셜과 브록하우스였습니다.

 

👨‍🔬 [절반의 공로] 클리퍼드 셜: 원자는 '어디에' 있는가?

 

클리퍼드 셜은 제2차 세계대전 직후, 미국의 '맨해튼 프로젝트'가 남긴 유산인 '오크 리지 국립 연구소' [Oak Ridge National Laboratory]에 합류했습니다. 이곳에는 '원자로' [Nuclear Reactor]가 있었고, 원자로는 어마어마한 양의 '중성자 빔'을 뿜어내고 있었습니다.

셜의 임무는 이 '중성자 빔'을 X선처럼 사용하는 것이었습니다. 그는 브래그의 법칙 [nλ = 2d sinθ]이 X선뿐만 아니라 '중성자 물질파'에도 똑같이 적용될 수 있음을 알았습니다.

그는 1946년부터, 중성자 회절 장치 [Neutron Diffractometer]를 개발하여, 물질에 중성자를 쏘고 튕겨 나오는 '탄성 산란' [Elastic Scattering] 패턴을 분석하기 시작했습니다.

수소의 위치를 밝히다

그의 첫 번째 위대한 성과는 '수소'였습니다. 당시 물리학자들은 얼음[H₂O] 속 수소 원자들이 '어떻게' 배열되어 있는지 몰랐습니다. 1949년, 셜은 중수소[D₂O]를 이용한 중성자 회절을 통해, 얼음 속 물 분자들이 '사면체' 구조로 완벽하게 정렬되어 있음을 '눈으로' 증명했습니다.

자석의 '속'을 그리다 [반강자성 증명]

셜의 가장 위대한 발견은 '자성'이었습니다. 1970년 노벨상 수상자인 루이 네엘은 "어떤 물질[MnO 등]은 내부의 원자 자석들이 '서로 반대 방향'으로 정렬되어 있어, 겉으로는 자석이 아닌 것처럼 보인다"는 반강자성 [Antiferromagnetism] 이론을 제안했습니다.

이것은 20년간 '이론'일 뿐이었습니다. 1949년, 셜은 중성자 빔을 '산화 망간' [MnO] 결정에 쏘았습니다.

결과는 충격적이었습니다. 만약 네엘의 이론이 틀리고 원자들이 무작위라면 '단순한' 회절 무늬가, 만약 모든 원자가 같은 방향이라면 '강자성' 무늬가 나와야 했습니다.

셜의 검출기는, '자기적' 정렬 주기가 '화학적' 원자 배열 주기보다 정확히 2배 더 긴 패턴을 잡아냈습니다. 이는 '위' 방향 자석과 '아래' 방향 자석이 '한 줄씩' 번갈아 가며 완벽하게 정렬되어 있다는, 네엘의 이론을 완벽하게 증명하는 것이었습니다. 셜은 인류 최초로 '자기 구조'의 지도를 그렸습니다.

 

👨‍🔬 [절반의 공로] 버트럼 브록하우스: 원자는 '어떻게' 움직이는가?

 

셜이 '정지 사진'을 찍는 데 성공했다면, 캐나다의 버트럼 브록하우스는 '동영상'을 찍는 데 도전했습니다.

그는 캐나다 '초크 리버 국립 연구소' [Chalk River Laboratories]의 강력한 NRU 원자로에서 연구했습니다. 그는 "중성자가 원자와 충돌할 때, '탄성' 충돌만 하는 것이 아니다"라는 점에 주목했습니다.

"만약 중성자가 원자핵을 때리면서, 그 원자핵을 **'진동'**시킨다면? 중성자는 그 '진동 에너지'만큼 자신의 에너지를 '잃게' [Inelastic] 될 것이다!"

그 '잃어버린 에너지'가 바로, 물질 속을 전파되는 '소리 알갱이', 즉 포논 [Phonon, 격자 진동의 양자]의 에너지였습니다.

문제는 이 '에너지 손실'을 어떻게 측정하느냐였습니다.

'3축 분광기'의 발명 [1958]

브록하우스는 이 문제를 풀기 위해 물리학 역사상 가장 독창적인 장치 중 하나인 3축 중성자 분광기 [Triple-Axis Neutron Spectrometer]를 발명했습니다.

1. [축 1] 원자로에서 나온 '무질서한' 중성자 빔을 첫 번째 결정[단색기]에 통과시켜, '단 하나의 에너지/파장'을 가진 깨끗한 빔을 만듭니다.
2. [축 2] 이 빔을 우리가 연구하려는 '시료' [표적]에 쏩니다.
3. 시료와 충돌한 중성자는 에너지를 잃고[비탄성 산란] 여러 방향으로 흩어집니다.
4. [축 3] 흩어진 빔을 두 번째 결정[분석기]에 통과시켜, 그 '에너지' [파장]가 '얼마나 변했는지'를 측정합니다.

브록하우스는 '들어간 에너지'와 '나온 에너지'의 '차이'를 측정함으로써, 물질이 '흡수한' 에너지, 즉 '포논'의 에너지를 정확하게 계산해냈습니다.

그는 1958년, 이 장치로 저마늄, 실리콘, 나트륨 등의 결정 속 '포논 스펙트럼' [에너지 분포도]을 세계 최초로 그려냈습니다. 그는 물질이 '어떻게' 진동하고, '어떻게' 열을 전도하는지, 그 근본적인 '소리'를 듣는 데 성공한 것입니다.

 

🧐 TMI와 그의 유산

 

40년을 기다린 노벨상

셜과 브록하우스의 발견은 1940년대 후반과 1950년대에 이루어졌습니다. 하지만 이들의 업적은 '응용 물리'나 '공학'으로 치부되었습니다. 노벨 위원회는 '고온 초전도체' [1987년 수상] 같은 새로운 물질들이 발견되고, 이 물질들의 비밀을 푸는 유일한 열쇠가 '중성자 산란'임이 명백해진 1990년대에 이르러서야, 이 '방법론'을 창시한 두 선구자에게 40년 만의 영광을 돌렸습니다.

원자로가 만든 노벨상

이들의 업적은 '맨해튼 프로젝트'가 남긴 '원자로'라는 거대한 과학 인프라가 없었다면 불가능했습니다. 1940~50년대 캐나다의 '초크 리버'와 미국의 '오크 리지'는 전 세계 '중성자 과학'의 메카였습니다.

'브록하우스 의자'

버트럼 브록하우스는 훗날 캐나다 맥매스터 대학의 교수가 되었습니다. 그는 캐나다 과학 발전에 지대한 공헌을 한 인물로 존경받으며, 1994년 수상 당시 캐나다 국민들에게 큰 자부심을 안겨주었습니다.

 

✍️ 나가며: 물질을 이해하는 '제2의 눈'

 

셜과 브록하우스의 1994년 노벨 물리학상은 X선이라는 '빛의 눈'만으로는 볼 수 없었던 물질의 '이면'을 보게 해준 '중성자의 눈'을 발명한 공로입니다.

클리퍼드 셜은 우리에게 '정지 사진'을 주었습니다. 그는 수소의 위치를 밝혔고, 숨겨진 자기 질서를 최초로 '보았습니다'.

버트럼 브록하우스는 우리에게 '동영상'을 주었습니다. 그는 원자들이 어떻게 춤추고 노래하는지[진동], 그 '소리'를 듣는 법을 가르쳐주었습니다.

오늘날 반도체, 자성 재료, 초전도체, 생명 공학[단백질 구조] 등 인류의 미래를 결정할 모든 '재료 과학' [Materials Science] 연구는, 이

두 사람이 40년 전에 닦아놓은 '중성자 산란'이라는 탄탄한 길 위에서 이루어지고 있습니다.