[1944 노벨화학상] 오토 한 : 원자핵을 쪼개다, '핵분열'의 발견과 리제 마이트너의 가려진 이름

 

 

💥 "우라늄이 반으로 쪼개졌다!" 물리학의 상식을 깬 화학자의 발견

 

1938년 12월, 독일 베를린의 카이저 빌헬름 연구소. 이곳에는 나치 정권의 삼엄한 감시 속에서도 연구에 몰두하던 한 화학자가 있었습니다. 그는 당대 최고의 방사화학자 오토 한(Otto Hahn) 이었습니다.

그는 우라늄(원자번호 92번)에 중성자를 쏘는 실험을 하고 있었습니다. 당시 과학계의 상식은 우라늄이 중성자를 흡수하면 조금 더 무거운 원소, 즉 '초우라늄 원소' 가 될 것이라는 것이었습니다.

그런데 실험 결과는 기괴했습니다. 우라늄보다 무거운 원소가 나오기는커녕, 우라늄의 딱 절반 무게밖에 안 되는 가벼운 원소인 '바륨(Barium, 원자번호 56번)' 이 튀어나온 것입니다.

오토 한은 당황했습니다. "이건 불가능해. 단단한 원자핵이 중성자 따위에 맞아서 반으로 쪼개진다고? 바위가 조약돌에 맞아서 두 동강 난다는 소리잖아."

그는 화학적으로는 바륨이 맞는데, 물리학적으로는 설명이 안 되는 이 상황 앞에서 혼란에 빠졌습니다. 그리고 그는 스웨덴으로 망명 가 있는 자신의 오랜 동료에게 절박한 편지를 씁니다.

"리제, 제발 도와줘. 내 실험 결과가 너무나 이상해. 우라늄이 바륨으로 변했어. 이게 말이 된다고 생각하나?"

오늘 소개할 1944년 노벨 화학상 수상자는 인류가 '핵에너지'라는 판도라의 상자를 열게 만든 장본인입니다.

우연과 정밀한 분석으로 핵분열 현상을 최초로 목격한 화학자 오토 한. 그리고 그 현상의 물리적 원리를 밝혀냈지만 노벨상 명단에는 오르지 못한 비운의 천재 리제 마이트너(Lise Meitner).

과학 역사상 가장 위대한 발견 중 하나이자, 가장 씁쓸한 이별이 담긴 두 사람의 이야기를 시작합니다.

 

📜 베를린의 황금 콤비 : 화학자와 물리학자

 

오토 한과 리제 마이트너는 1907년부터 베를린에서 함께 일한 영혼의 단짝이었습니다. 오토 한은 꼼꼼하고 분석적인 화학자였고, 리제 마이트너는 이론에 밝고 직관적인 물리학자였습니다. 두 사람은 서로의 부족한 점을 완벽하게 채워주며 30년 넘게 방사능 연구를 이끌었습니다. (그들은 1917년 91번 원소 프로트악티늄을 함께 발견하기도 했습니다.)

하지만 1938년, 나치 독일의 유대인 박해가 극에 달했습니다. 유대인이었던 마이트너는 목숨을 건지기 위해 네덜란드를 거쳐 스웨덴으로 급히 탈출해야 했습니다. 오토 한은 그녀에게 자신의 어머니가 물려준 다이아몬드 반지를 쥐여주며, 혹시 모를 검문에 대비해 뇌물로 쓰라고 했습니다.

연구소에는 오토 한과 그의 조수 프리츠 슈트라스만(Fritz Strassmann) 만 남겨졌습니다. 마이트너가 떠난 빈자리는 컸지만, 편지를 통해 연구 토론은 계속되었습니다.

 

🧐 미스터리 : 라듐인 줄 알았는데 바륨이라니?

 

오토 한과 슈트라스만은 페르미(1938년 노벨상)의 실험을 재현하고 있었습니다. 우라늄에 중성자를 쏘면 라듐(Radium)과 비슷한 물질이 나온다는 것이 당시의 정설이었습니다.

하지만 한은 아무리 정밀하게 분석해도 그 물질이 라듐이 아니라는 것을 알았습니다. 라듐은 바륨과 화학적 성질이 비슷해서 섞이면 분리하기가 힘듭니다. 한은 '분별 결정법' 을 이용해 끈질기게 라듐을 분리하려 했지만, 그 물질은 끝까지 바륨과 함께 행동했습니다.

결론은 하나뿐이었습니다.

"이것은 라듐이 아니다. 이것은 그냥 '바륨'이다."

우라늄(92)이 바륨(56)으로 변했다는 것은, 원자핵이 붕괴(알파 입자 몇 개 뱉는 수준)한 게 아니라, 아예 허리가 뚝 끊어졌다는 뜻이었습니다. 물리학자들은 "원자핵은 강한 힘으로 뭉쳐 있어서 절대 깨지지 않는다"고 믿었기에, 한은 자신의 화학 분석 결과를 의심할 수밖에 없었습니다.

그는 1938년 12월 19일, 마이트너에게 편지를 보냈습니다. "우리의 라듐 동위원소가 바륨처럼 행동하고 있어... 자네가 물리학적으로 설명 좀 해줄 수 있겠나?"

 

⚡️ 눈 덮인 숲속의 깨달음 : 핵분열(Nuclear Fission)

 

편지를 받은 마이트너는 스웨덴의 한 호텔에서 조카이자 물리학자인 오토 로베르트 프리슈(Otto Robert Frisch) 와 휴가를 보내고 있었습니다.

두 사람은 눈 쌓인 숲속을 산책하다가 오토 한의 편지에 대해 토론했습니다. 프리슈는 "한이 실수한 거 아닐까요?"라고 했지만, 마이트너는 고개를 저었습니다. "아니야, 한은 그럴 사람이 아니야. 그가 바륨이라고 했다면 그건 바륨이 맞아."

마이트너는 눈 위에 나뭇가지로 그림을 그리며 생각에 잠겼습니다. "원자핵을 딱딱한 고체가 아니라, '물방울(Liquid Drop)' 이라고 생각해보자."

물방울이 커지면 불안정해져서 출렁거리다가, 가운데가 잘록해지면서 두 개의 작은 물방울로 뚝 끊어집니다. 우라늄처럼 뚱뚱하고 불안정한 원자핵에 중성자라는 돌멩이가 툭 하고 부딪히면? 물방울이 쪼개지듯 원자핵도 두 조각(바륨과 크립톤)으로 쪼개질 수 있지 않을까?

그리고 그녀는 아인슈타인의 공식 $E=mc^2$ 을 이용해 계산을 시작했습니다. 우라늄이 쪼개져서 바륨과 크립톤이 될 때 사라지는 질량을 계산해보니, 그 에너지가 무려 2억 전자볼트(200 MeV) 에 달했습니다.

"이것이다! 원자핵은 쪼개진다. 그리고 그 과정에서 막대한 에너지가 나온다!"

그녀는 생물학에서 세포가 분열하는 용어를 빌려, 이 현상을 '핵분열(Nuclear Fission)' 이라고 명명했습니다. 1939년 1월, 마이트너와 프리슈의 논문이 발표되자 전 세계 물리학계는 경악했습니다.

 

🏆 노벨상 : "마이트너는 어디에 있습니까?"

 

이 발견의 파장은 엄청났습니다. 과학자들은 곧바로 이 에너지를 이용해 폭탄(원자탄)을 만들 수 있다는 것을 깨달았고, 맨해튼 프로젝트가 시작되었습니다.

전쟁이 끝난 후, 1944년(발표는 1945년) 스웨덴 왕립과학원은 오토 한에게 노벨 화학상을 수여합니다. 수상 이유는 "무거운 원자핵의 분열을 발견한 공로" 였습니다.

하지만 수상자 명단에 리제 마이트너의 이름은 없었습니다. 실험은 오토 한이 했지만, 그 결과를 해석하고 '핵분열'이라는 개념을 만든 것은 명백히 마이트너였습니다. 심지어 오토 한은 처음에는 자신의 결과를 믿지도 못했으니까요.

왜 그녀는 제외되었을까요?

1. 정치적 상황: 나치 독일을 탈출한 유대인이라는 점, 그리고 오토 한이 나치의 눈치를 보느라 논문에 마이트너의 이름을 뺐던 점이 영향을 미쳤습니다.
2. 분과의 장벽: 화학 분과 심사위원들이 물리학자인 마이트너의 기여도를 과소평가했습니다.
3. 성차별: 당시 여성 과학자에 대한 편견이 여전히 존재했습니다.

오토 한은 노벨상 수상 연설에서조차 마이트너의 공로를 제대로 언급하지 않았습니다. 그는 핵분열 발견이 오직 화학적 분석의 승리라고 강조했습니다. 마이트너는 이에 대해 큰 실망감을 느꼈지만, 옛 친구를 공개적으로 비난하지는 않았습니다.

"한은 훌륭한 화학자였지만, 그 당시에는 물리학을 전혀 이해하지 못했다"는 뼈 있는 말만 남겼을 뿐입니다.

 

📚 TMI : 후회와 속죄

 

1. 오토 한의 절망

오토 한은 자신이 발견한 핵분열이 히로시마와 나가사키에 원자폭탄으로 떨어졌다는 소식을 듣고 큰 충격에 빠졌습니다. 당시 그는 연합군에 포로로 잡혀 있었는데, 죄책감에 자살을 시도하려고까지 했습니다. 그는 평생 핵무기 반대 운동에 앞장서며 과학의 평화적 이용을 호소했습니다.

2. 마이트너의 거절

미국은 맨해튼 프로젝트를 시작하며 마이트너에게도 참여를 권유했습니다. 하지만 그녀는 단칼에 거절했습니다. "나는 폭탄 만드는 일과는 아무런 상관도 하고 싶지 않습니다." 그녀는 자신의 발견이 살상 무기로 쓰이는 것을 끔찍하게 싫어했습니다.

3. 마이트너륨 (Mt)

비록 노벨상은 받지 못했지만, 과학계는 그녀를 잊지 않았습니다. 1992년 발견된 109번 원소에 그녀의 이름을 딴 '마이트너륨(Meitnerium)' 이라는 이름이 붙여졌습니다. 오토 한의 이름을 딴 원소(하니륨)가 제안되었지만 탈락한 것과 비교하면, 역사적인 정의가 어느 정도 실현된 셈입니다.

 

🌏 맺음말 : 반쪽짜리 영광

 

오토 한의 1944년 노벨상은 과학사에서 가장 위대한 발견 중 하나를 기리는 상이었지만, 동시에 가장 불공정한 수상으로 기억됩니다.

핵분열의 발견은 한 명의 천재가 이룬 것이 아니라, 30년 지기였던 화학자(한)와 물리학자(마이트너)의 완벽한 협업이 만들어낸 결과였습니다.

오토 한이 실험실에서 우라늄을 깨뜨렸다면, 리제 마이트너는 눈 덮인 숲속에서 그 깨진 조각들의 의미를 찾아냈습니다.

오늘날 우리는 원자력 발전소의 불빛 아래서, 1938년의 그 겨울밤 서로를 믿고 의지하며 진실을 찾아 헤맸던 두 과학자의 우정과 엇갈린 운명을 기억해야 할 것입니다.