[1933 노벨화학상] 수상자 없음 : 무거운 물, '중수'의 발견과 해롤드 유레이의 기다림

 

 

 

💧 물이라고 다 같은 물이 아니다?

 

1933년, 세계는 혼란의 소용돌이 속에 있었습니다. 독일에서는 아돌프 히틀러가 총리에 임명되어 나치 정권이 시작되었고, 과학계에도 검은 그림자가 드리워지고 있었습니다.

노벨 위원회는 그해 화학상 수상자를 선정하지 못하고 침묵을 지켰습니다. "적합한 후보가 없다"는 것이 표면적인 이유였지만, 사실 과학계에서는 이미 엄청난 발견이 이루어진 상태였습니다. 다만 그 발견이 너무나 충격적이어서 확인하고 검증할 시간이 필요했을 뿐입니다.

우리가 매일 마시는 물(H₂O)은 수소와 산소로 이루어져 있습니다. 그런데 만약 '보통의 물보다 10% 정도 더 무거운 물' 이 존재한다면 어떨까요?

이것은 단순히 무게만 다른 것이 아니었습니다. 이 물에 물고기를 넣으면 죽고, 씨앗을 넣으면 싹이 트지 않았습니다. 겉모습은 똑같지만 생명을 거부하는 기이한 물.

오늘 소개할 이야기는 1933년의 빈자리를 가득 채우고도 남았을, 그리고 결국 1934년 노벨 화학상의 주인공이 되는 미국의 화학자 해롤드 유레이(Harold C. Urey) 와 그가 발견한 '중수소(Deuterium)' 에 관한 이야기입니다.

현대 원자력 시대를 열고, 생명의 기원을 밝히는 도구가 된 '무거운 수소'의 비밀을 파헤쳐 봅니다.

 

📜 수소의 잃어버린 형제를 찾아서

 

1913년 프레데릭 소디가 '동위원소' 개념을 제안하고, 1919년 프랜시스 애스턴이 질량 분석기로 이를 증명한 이후, 과학자들은 자연계의 모든 원소에 동위원소가 있을 것이라고 추측했습니다.

가장 큰 관심사는 우주에서 가장 흔하고 단순한 원소인 '수소(Hydrogen)' 였습니다. "수소도 동위원소가 있을까? 질량이 1인 수소 말고, 2인 수소가 있을까?"

많은 과학자가 이를 찾으려 했지만 실패했습니다. 수소는 너무 가벼워서 무게 차이를 구분하기 힘들었기 때문입니다.

1931년, 콜롬비아 대학의 교수였던 해롤드 유레이는 이론적인 계산을 통해 "무거운 수소는 분명히 존재하며, 일반 수소 4,500개 중 1개꼴로 숨어 있을 것"이라고 확신했습니다. 그리고 그는 이 숨바꼭질을 끝내기 위해 '증류(Distillation)' 라는 고전적인 방법을 선택합니다.

 

🧐 액체 수소를 끓이다 : 영하 253도의 인내

 

유레이의 전략은 단순했습니다. "무거운 수소는 가벼운 수소보다 아주 조금 더 천천히 끓을 것이다."

그는 액체 수소를 준비했습니다. 수소가 액체가 되려면 온도가 무려 영하 253도까지 내려가야 합니다. 그는 이 극저온의 액체 수소를 아주 천천히 증발시켰습니다.

가벼운 수소가 먼저 날아가고, 바닥에 남은 찌꺼기(?) 같은 액체 속에는 무거운 수소가 농축되어 있을 것이라는 계산이었습니다.

그는 남은 액체 수소를 유리관에 넣고 전기를 흘려 빛(스펙트럼)을 분석했습니다. 그러자 익숙한 수소의 선 옆에, 희미하지만 분명하게 새로운 선이 하나 더 나타났습니다.

"보라! 이것은 질량이 2인 수소다. 수소에게도 형제가 있었다!"

그는 그리스어로 '두 번째'라는 뜻을 담아 이 새로운 수소를 '중수소(Deuterium)' 라고 명명했습니다.

 

⚡️ 중수(Heavy Water) : 생명과 죽음의 물

 

중수소의 발견은 곧바로 '중수(Heavy Water, D₂O)' 의 발견으로 이어졌습니다. 중수소와 산소가 결합한 중수는 일반 물보다 끓는점이 약간 높고(101.4도), 얼음이 물에 가라앉을 정도로 무겁습니다.

과학자들은 호기심에 이 물을 생물에게 줘보았습니다. 결과는 충격적이었습니다.

• 중수 속에 넣은 올챙이는 죽었습니다.
• 중수를 먹은 쥐는 갈증을 해소하지 못하고 죽었습니다.
• 씨앗은 싹을 틔우지 못했습니다.

화학적으로는 물과 똑같지만, 미세한 무게 차이 때문에 생체 내의 정교한 효소 반응 속도를 늦춰버려 생명을 유지할 수 없게 만든 것입니다. (물론 자연 상태의 물에 섞인 극미량의 중수는 해롭지 않습니다.)

이 기이한 물은 단순한 독극물로 끝나지 않았습니다. 중수는 중성자의 속도를 늦추는 '감속재' 로서 최고의 성능을 발휘한다는 사실이 밝혀졌습니다. 즉, 원자력 발전과 핵무기 개발의 핵심 재료가 된 것입니다. 2차 대전 당시 연합군과 독일군이 노르웨이의 중수 공장을 두고 치열한 쟁탈전을 벌인 것도 이 때문입니다.

 

🏆 1933년의 침묵, 1934년의 환호

 

1933년 노벨 화학상은 건너뛰었지만, 유레이의 업적은 무시하기엔 너무나 거대했습니다. 결국 이듬해인 1934년, 스웨덴 왕립과학원은 해롤드 유레이에게 단독으로 노벨 화학상을 수여합니다.

수상 이유는 "중수소의 발견" 이었습니다. 그의 발견은 화학, 물리학, 생물학, 천문학을 아우르는 20세기 과학의 가장 중요한 도구가 되었습니다.

• 화학/생물학: 중수소를 추적자(Tracer)로 사용하여 체내 대사 과정을 밝혀냈습니다. (1923년 쇤하이머의 연구 등)
• 지구과학: 빙하 속의 중수소 비율을 분석하여 과거 지구의 기온 변화를 알아냅니다. (유레이가 개척한 '동위원소 지구화학' 분야입니다.)

 

📚 TMI : 생명의 기원까지 밝히다

 

1. 밀러-유레이 실험

해롤드 유레이는 노벨상 수상 이후, 생명의 기원에 관심을 가졌습니다. 1953년, 그는 제자인 스탠리 밀러와 함께 원시 지구의 대기(메탄, 암모니아, 수소)에 전기 스파크(번개)를 튀기는 실험을 했습니다. 며칠 뒤 붉은 물속에서 '아미노산' 이 발견되었습니다. 이것이 그 유명한 '밀러-유레이 실험' 입니다. 무생물에서 생명의 재료가 만들어질 수 있음을 증명한 전설적인 실험입니다.

2. 핵무기 반대 운동

유레이는 맨해튼 프로젝트에 참여해 우라늄 농축 기술을 개발했지만, 히로시마 원폭 투하 이후 깊은 회의감을 느꼈습니다. 그는 이후 "과학은 파괴가 아닌 평화를 위해 쓰여야 한다"며 핵무기 반대 운동과 세계 정부 수립 운동에 앞장섰습니다.

3. 달의 기원

말년에 그는 우주 과학에 심취하여 달의 암석을 분석하고 달의 기원을 연구했습니다. 그는 "달은 지구에서 떨어져 나간 것이 아니라, 우주 어딘가에서 날아와 지구 중력에 잡힌 것"이라고 주장했습니다. (현재 정설인 충돌설과는 다르지만, 그의 연구는 행성 과학의 기초가 되었습니다.)

 

🌏 맺음말 : 아주 작은 차이가 만드는 거대한 변화

 

1933년의 빈자리는 역설적으로 과학이 얼마나 깊고 세밀한 세계로 들어갔는지를 보여줍니다.

수소 원자핵에 중성자 하나가 더 붙어 있을 뿐인데, 그 작은 무게 차이가 생명을 죽이기도 하고, 거대한 에너지를 만들어내기도 하며, 46억 년 지구의 역사를 기록하기도 합니다.

해롤드 유레이가 끓여낸 영하 253도의 액체 수소 한 방울 속에, 우주의 비밀과 인류의 미래가 함께 담겨 있었습니다.