[1941 노벨화학상] 수상자 없음 : 1급 기밀이 된 원소, '플루토늄'의 발견과 글렌 시보그

 

 

 

🌑 존재해서는 안 될 물질의 탄생

 

1941년, 제2차 세계대전의 불길은 전 세계를 집어삼키고 있었습니다. 나치 독일은 유럽을 유린했고, 일본은 진주만 공습을 준비하고 있었습니다. 노벨 위원회는 1940년에 이어 또다시 "수상자 없음"을 발표했습니다.

하지만 스웨덴의 시상대가 비어있던 그 시각, 미국 캘리포니아 대학교 버클리(UC Berkeley)의 낡은 실험실에서는 역사상 가장 은밀하고 위험한 실험이 진행되고 있었습니다.

젊은 화학자들은 '우라늄(92번)' 너머의 미지 세계를 탐험하고 있었습니다. 자연계에 존재하는 가장 무거운 원소인 우라늄보다 더 무거운 원소, 신의 영역에 속한 '초우라늄 원소' 를 인간의 손으로 창조하려 했던 것입니다.

그리고 1941년 2월 23일, 폭풍우가 몰아치던 밤. 그들은 마침내 94번 원소의 존재를 확인했습니다.

이 새로운 원소는 우라늄보다 훨씬 더 강력한 에너지를 품고 있었으며, 인류를 멸망시킬 수도 있는 '파괴의 신' 이었습니다. 그래서 이 발견은 즉시 정부에 의해 '1급 기밀' 로 분류되었고, 논문은 금고 속에 봉인되었습니다.

오늘 소개할 이야기는 1941년의 노벨상을 대신할, 어둠 속에서 태어난 원소 '플루토늄(Plutonium)' 과 그 창조주 글렌 시보그(Glenn T. Seaborg) 의 이야기입니다.

 

📜 우라늄 너머에는 무엇이 있을까?

 

이야기의 시작은 1940년으로 거슬러 올라갑니다. 당시 과학자들은 우라늄(원자번호 92)이 우주에서 가장 무거운 원소라고 믿었습니다. 이탈리아의 엔리코 페르미가 우라늄에 중성자를 쏘아 더 무거운 원소를 만들려 시도했지만, 결과가 명확하지 않았습니다.

버클리 대학의 물리학자 에드윈 맥밀런(Edwin McMillan) 은 60인치 사이클로트론(입자 가속기)을 이용해 우라늄을 때리는 실험을 하다가, 우연히 93번 원소의 흔적을 발견했습니다.

그는 태양계 행성인 천왕성(Uranus, 92번 우라늄의 어원) 다음이 해왕성(Neptune)인 것에 착안하여, 이 93번 원소를 '넵튬(Neptunium)' 이라고 명명했습니다.

맥밀런은 내친김에 94번 원소까지 찾고 싶었지만, 레이더 개발을 위해 MIT로 급하게 떠나야 했습니다. 그는 자신의 연구를 동료인 젊은 화학자 글렌 시보그에게 넘겼습니다.

"글렌, 자네가 맡게. 93번이 붕괴하면 분명 94번이 나올 거야."

 

🧐 94번 원소의 탄생 : 명왕성의 이름을 따다

 

당시 28세였던 글렌 시보그는 동료 아서 왈, 조셉 케네디와 함께 밤낮없이 매달렸습니다. 그들은 넵튬(93번)이 베타 붕괴를 일으키면 양성자가 하나 늘어나 94번이 될 것이라 확신했습니다.

하지만 94번 원소는 너무나 미량이었고 방사능이 약해 검출하기가 힘들었습니다. 그들은 머리카락 굵기보다 얇은 석영 섬유에 시료를 매달아 무게 변화를 측정하는 초미세 화학 분석법을 동원했습니다.

1941년 2월 23일 밤, 드디어 그들은 94번 원소의 화학적 성질을 확인했습니다. 그것은 우라늄도, 넵튬도 아닌 완전히 새로운 물질이었습니다.

시보그는 작명을 고민했습니다. "천왕성(Uranus), 해왕성(Neptune) 다음이니까... 명왕성(Pluto) 차례군."

그는 '플루토늄(Plutonium)' 이라는 이름을 붙였습니다. 그리고 원소 기호를 정할 때 장난기가 발동했습니다. 원래대로라면 'Pl'이 되어야 하지만, 어린아이들이 냄새날 때 쓰는 의성어인 'P.U.' 를 떠올리며 원소 기호를 'Pu' 로 정해버렸습니다. (그는 위원회가 이를 반대할 줄 알았는데, 의외로 그냥 통과되어 지금도 Pu로 쓰입니다.)

 

⚡️ 1급 기밀 : 팻 맨(Fat Man)의 심장

 

하지만 시보그는 이 위대한 발견을 세상에 알릴 수 없었습니다. 플루토늄-239가 가진 무시무시한 성질 때문이었습니다.

연구팀은 플루토늄이 중성자와 부딪히면 둘로 쪼개지면서(핵분열) 막대한 에너지를 낸다는 사실을 알아냈습니다. 놀랍게도 그 폭발력은 우라늄-235보다 훨씬 강력했고, 만들기도 더 쉬웠습니다.

"이것은... 원자 폭탄의 완벽한 재료다."

미국 정부는 즉시 보도 관제(Embargo)를 내렸습니다. 시보그의 논문은 학술지 대신 비밀 금고로 들어갔고, 그는 곧바로 '맨해튼 프로젝트' 에 투입되었습니다. 그의 임무는 눈에 보이지도 않는 미량의 플루토늄을 공장 단위로 대량 생산하는 화학 공정을 설계하는 것이었습니다.

1945년 8월 9일, 일본 나가사키에 떨어진 원자폭탄 '팻 맨(Fat Man)' 의 심장에는 시보그가 찾아낸 플루토늄 6.2kg이 들어있었습니다. 1941년의 그 발견이 전쟁을 끝내는 거대한 버섯구름이 되어 돌아온 것입니다.

 

🏆 뒤늦은 영광 : 1951년 노벨상

 

전쟁이 끝난 후, 봉인되었던 논문들이 세상에 공개되었습니다. 1951년, 스웨덴 왕립과학원은 글렌 시보그와 에드윈 맥밀런에게 노벨 화학상을 수여했습니다. 수상 이유는 "초우라늄 원소(Transuranium elements)의 발견" 이었습니다.

시보그는 이후로도 멈추지 않았습니다. 그는 아메리슘(95), 퀴륨(96), 버클륨(97), 캘리포늄(98) 등 무려 10개의 새로운 원소를 더 발견했습니다. 그는 인류 역사상 가장 많은 원소를 발견한 사람으로 기록되었습니다.

 

📚 TMI : 주기율표에 이름을 올린 유일한 생존자

 

1. 시보그의 자부심

1997년, 106번 원소의 이름이 '시보늄(Seaborgium, Sg)' 으로 결정되었습니다. 당시까지 원소 이름은 신화나 지명, 혹은 이미 사망한 위인의 이름을 따는 것이 관례였습니다. 살아있는 사람의 이름을 딴 것은 시보그가 유일무이했습니다. 그는 "노벨상보다 주기율표에 내 이름이 올라간 것이 더 영광이다"라고 말했습니다.

2. 악티늄족의 제안

주기율표 밑에 따로 두 줄로 빠져 있는 원소들(란타넘족, 악티늄족)을 기억하시나요? 원래 1940년대까지는 이 무거운 원소들을 주기율표 본체에 억지로 끼워 넣으려다 보니 표가 엉망이었습니다. 시보그는 "이 녀석들은 성질이 다르니 밑으로 빼야 한다"며 '악티늄족(Actinide series)' 개념을 제안하여 주기율표를 지금의 모양으로 재정리했습니다. 교과서의 모양을 바꾼 장본인입니다.

3. 평화의 옹호자

자신이 발견한 원소가 수많은 사람을 죽인 무기가 된 것에 대해 시보그는 평생 책임감을 느꼈습니다. 그는 냉전 시대에 핵무기 감축 협상을 주도하고, 10명의 미국 대통령을 보좌하며 과학의 평화적 이용을 위해 헌신했습니다.

 

🌏 맺음말 : 야누스의 얼굴을 가진 원소

 

1941년, 세상이 전쟁으로 불타고 있을 때, 한 실험실에서는 우주의 새로운 물질이 태어났습니다.

플루토늄. 지옥의 신(Pluto)의 이름을 딴 이 원소는 인류에게 핵전쟁의 공포를 안겨주었지만, 동시에 우주 탐사선(보이저호 등)의 꺼지지 않는 원자력 전지 연료가 되어 태양계 끝까지 인류의 눈을 밝혀주고 있습니다.

글렌 시보그가 발견한 이 위험하고도 매혹적인 원소는, 과학이 가진 거대한 힘과 그에 따르는 무거운 책임을 1941년의 빈자리에 묵직하게 채워 넣고 있습니다.