[1937 노벨물리학상] 데이비슨 & G. P. 톰슨 : 전자가 '파동'임을 실험으로 증명하다

 

 

 

📜 들어가며: 2000년의 상식을 뒤엎은 '가설'

 

1920년대 물리학의 세계는 '빛'이 입자인지 파동인지를 두고 200년 넘게 벌인 전쟁이, '빛은 둘 다'라는 기묘한 결론으로 봉합되고 있었습니다. 아인슈타인과 콤프턴은 빛이 '광자'라는 입자임을 증명했지만, 빛이 여전히 파동의 성질[간섭, 회절]을 갖는다는 사실은 변하지 않았습니다.

바로 그 혼돈의 한복판에서, 1924년 프랑스의 귀족 청년 루이 드 브로이는 '자연은 대칭적이다'라는 하나의 신념으로, 이보다 더 대담한 가설을 박사학위 논문에 던졌습니다.

"빛[파동]이 입자처럼 행동한다면, 왜 물질[입자]은 파동처럼 행동할 수 없는가?"

그는 J. J. 톰슨이 '입자'로 발견했던 '전자' 역시 고유의 파장을 가진 '파동'이라고 선언했습니다. [이 업적으로 1929년 노벨상 수상]

이것은 당시 과학계에 '미친 소리'처럼 들렸습니다. 돌멩이가 파동이라고? 전자가 파동이라고? 아인슈타인조차 이 가설을 '거대한 베일의 끝을 들어 올렸다'고 극찬하면서도, '실험적 증거'가 없는 한 완벽한 이론이 될 수 없음을 알았습니다.

양자 혁명은 이 '물질파'라는 가설을 입증할 결정적인 '실험'을 필요로 했습니다.

1937년 노벨 물리학상은, 드 브로이의 이 기묘한 가설이 '진실'임을, 서로 다른 대륙에서, 서로 다른 방식으로 완벽하게 증명해낸 두 명의 실험 물리학자, 클린턴 조지프 데이비슨 [Clinton Joseph Davisson]과 조지 패짓 톰슨 [George Paget Thomson]에게 공동 수여되었습니다.

 

🏆 영광의 수상 이유: "전자의 결정 회절 현상의 실험적 발견"

 

스웨덴 왕립 과학 아카데미는 1937년, 이 두 명의 위대한 실험가에게 노벨상의 영광을 절반씩 나누어 수여했습니다.

"결정[Crystals]에 의한 전자의 회절 현상을 실험적으로 발견한 공로를 기리며"

이 수상 이유는 한마디로, "그들이 '전자'가 '파동'임을 증명했다"는 뜻입니다.

'회절' [Diffraction]은 파동이 좁은 틈이나 장애물을 만났을 때 그 뒤편으로 퍼지거나 고유한 무늬를 만드는, 파동만이 가질 수 있는 가장 명백한 특징입니다.

1914년 막스 폰 라우에는 'X선' [빛]을 결정에 쏘아 회절 무늬를 발견함으로써 X선이 파동임을 증명했습니다.

그런데 데이비슨과 G. P. 톰슨은, X선 대신 '전자' [입자]를 결정에 쏘았고, 그 결과 X선과 똑같은 회절 무늬를 얻어내는 데 성공한 것입니다.

드 브로이의 가설은 더 이상 가설이 아니었습니다. '전자'는 파동이었습니다. 2000년간 이어져 온 물질과 파동의 경계는 이들의 실험으로 완전히 무너져 내렸습니다.

 

🔬 데이비슨-거머: '우연한 사고'가 부른 위대한 발견

 

이들의 발견은 두 개의 독립된 연구실에서 거의 동시에, 하지만 전혀 다른 방식으로 이루어졌습니다. 첫 번째 이야기는 '우연'과 '행운'이 빚어낸 드라마입니다.

1920년대 초, 미국 벨 연구소 [Bell Labs]의 물리학자 클린턴 데이비슨과 그의 조수 레스터 거머는 양자역학에는 큰 관심이 없었습니다. 그들의 임무는 '진공관'의 성능을 높이기 위해, '전자' 빔을 '니켈' [Nickel] 금속판에 쏘았을 때 전자가 어떻게 튕겨 나오는지[산란]를 연구하는 실용적인 것이었습니다.

수년간 그들의 데이터는 예상대로였습니다. 전자는 입자처럼 모든 방향으로 무질서하게 흩어졌습니다.

[1925년, 운명적인 사고] 그러던 1925년, 실험 중이던 진공관 유리가 깨지는 사고가 발생했습니다. 공기가 순식간에 빨려 들어가 뜨거웠던 니켈 표면을 '산화'시켜 버렸습니다. [녹이 슨 것처럼]

실험을 다시 하려면 이 산화된 표면을 깨끗이 닦아내야 했습니다. 데이비슨과 거머는 이 니켈 표적을 수소 기체 속에서 '고온으로 가열'하여 산화막을 제거했습니다.

[사고, 그 후] 그들은 니켈 표적이 깨끗해졌다고 생각하고 실험을 재개했습니다. 그런데 측정 장비가 미친 것처럼 작동했습니다.

이전처럼 전자가 모든 방향으로 흩어지는 것이 아니라, 오직 '특정한 각도'에서만 강력하게 튕겨 나오는 것이었습니다. 전자가 갑자기 '패턴'을 보이기 시작했습니다.

데이비슨은 이 기묘한 현상의 원인을 알 수 없었습니다.

[깨달음] 1926년, 데이비슨은 이 풀리지 않는 데이터를 들고 영국 옥스퍼드에서 열린 학회에 참석했습니다. 바로 그곳에서 그는 유럽을 휩쓸고 있던 드 브로이의 '물질파' 가설과 슈뢰딩거의 '파동 방정식'에 대해 처음 듣게 됩니다.

그는 번개를 맞은 듯한 충격을 받았습니다.

"설마...!"

그는 깨달았습니다. 그들이 사고 수습을 위해 니켈을 '고온으로 가열'했을 때, 니켈 표면의 수많은 작은 결정 조각들이 하나로 녹아붙어 거대한 '단결정' [Single Crystal]으로 재배열되었던 것입니다.

그의 니켈 표적은 자신도 모르는 사이에, X선 회절 실험에 쓰이는 라우에의 결정처럼 '완벽한 회절 격자'가 되어버렸던 것입니다.

데이비슨은 미국으로 돌아와 미친 듯이 계산을 시작했습니다. 그가 측정한 '특정 각도'와 니켈 결정의 '원자 간격'을 드 브로이의 공식 λ = h/p에 대입하자, 그가 쏘았던 전자의 파장이 정확하게 일치했습니다.

그는 1927년, "전자가 파동처럼 결정 격자에 의해 회절되었다"는 역사적인 논문을 발표합니다.

 

⚛️ G. P. 톰슨: '의도된' 추격, 아버지의 이론을 넘다

 

같은 시기, 바다 건너 스코틀랜드 애버딘 대학. 또 한 명의 물리학자가 드 브로이의 가설을 증명하기 위해 전혀 다른 실험을 설계하고 있었습니다. 그의 이름은 조지 패짓 톰슨 [G. P. Thomson]이었습니다.

그의 아버지는 1906년 노벨 물리학상 수상자이자 '전자'가 '입자'임을 발견한 장본인, 바로 J. J. 톰슨이었습니다.

G. P. 톰슨은 아버지와는 정반대의 도전을 하고 있었습니다. 그는 '전자가 파동'임을 증명하기로 결심했습니다.

그의 방식은 데이비슨처럼 '반사'를 보는 것이 아니라, 1914년 라우에처럼 '투과'를 보는 것이었습니다.

1. 그는 데이비슨보다 훨씬 더 강력한 '고속' 전자 빔을 만들었습니다. [파장이 X선처럼 매우 짧아집니다.]
2. 그는 이 전자 빔을 종잇장보다 수천 배 얇은 '금속 박막' [Gold Foil]에 통과시켰습니다.
3. 금속 박막은 수많은 미세한 '결정'들의 집합체입니다.
4. 전자 빔이 이 박막을 통과한 뒤, 그 뒤에 놓인 사진 건판에 어떤 무늬를 남기는지 관찰했습니다.

[예상] 만약 전자가 '입자'라면, 금속을 통과하며 약간 흩어져서 사진 건판 중앙에 '흐릿한 점' 하나만 남길 것입니다. 만약 전자가 '파동'이라면, 수많은 미세 결정을 통과하며 '회절'하여, 중심점을 기준으로 '여러 겹의 동심원 무늬' [Diffraction Rings]를 만들어야 했습니다.

[1927년의 결과] G. P. 톰슨이 사진 건판을 현상했을 때, 그 위에는 X선 회절 사진과 한 치의 오차도 없는, 선명하고 아름다운 '동심원 무늬'가 찍혀 있었습니다.

이것은 전자가 파동이라는 움직일 수 없는, '시각적' 증거였습니다.

 

🧐 TMI와 그들의 유산

 

## 아버지와 아들: 입자 그리고 파동

과학사에서 이보다 더 극적인 아이러니는 없습니다.

• 아버지 [J. J. 톰슨]: 1906년 노벨상 수상. "전자가 입자임을 증명하다." [m/e 측정]
• 아들 [G. P. 톰슨]: 1937년 노벨상 수상. "전자가 파동임을 증명하다." [회절 무늬]

톰슨 가문은 인류에게 '전자'의 본질인 '입자-파동 이중성' [Wave-Particle Duality]을 선물한 가문이 되었습니다. G. P. 톰슨은 훗날 이렇게 말했습니다. "아버지는 전자가 입자라는 공로로 상을 받았고, 나는 전자가 파동이라는 공로로 상을 받았다. 우리는 둘 다 옳았다. 그것이 이중성의 본질이다."

## 거머는 왜 상을 받지 못했나?

노벨상은 최대 3명에게만 수여됩니다. 1937년, 상은 데이비슨과 톰슨에게 돌아갔습니다. '벨 연구소'에서 데이비슨의 핵심 조수였던 레스터 거머 [Lester Germer]는 수상자 명단에서 안타깝게 제외되었습니다. 이는 노벨상 역사에서 가장 아쉬운 '조수/제자' 누락 사례 중 하나로 꼽힙니다.

## 전자 현미경의 탄생

데이비슨과 톰슨의 발견은 단순한 이론 증명에 그치지 않았습니다. '전자가 파동이며, 그 파장이 가시광선보다 수천 배 짧다'는 사실은, 공학자들에게 엄청난 영감을 주었습니다.

파장이 짧을수록 더 '작은' 물체를 구별하여 볼 수 있습니다. 1931년, 독일의 에른스트 루스카는 이 원리를 이용해 빛[광자] 대신 전자[물질파]를 렌즈[자기장]로 모아 물체를 확대하는 '전자 현미경' [Electron Microscope]을 발명했습니다.

인류는 마침내 바이러스나 원자 배열을 '볼 수 있는' 새로운 눈을 갖게 되었습니다. [루스카는 이 공로로 50년이 지난 1986년에야 노벨 물리학상을 수상합니다.]

 

✍️ 나가며: 상식이 무너진 자리, 새로운 과학이 서다

 

1937년 노벨 물리학상은 1929년 드 브로이의 수상과 완벽한 한 쌍을 이룹니다. 드 브로이가 '대담한 가설'로 상을 받았다면, 데이비슨과 톰슨은 그 가설을 '냉엄한 실험'으로 증명하여 상을 받았습니다.

데이비슨의 '우연한' 발견과 톰슨의 '의도된' 증명은, '입자-파동 이중성'이 빛뿐만 아니라 '전자', 나아가 이 세상을 구성하는 모든 물질의 근본적인 속성임을 선포했습니다.

'전자'라는 존재는 J. J. 톰슨의 손에서 '입자'로 태어나, 그의 아들 G. P. 톰슨의 손에서 '파동'으로 다시 태어났습니다. 이들이 증명한 '물질파' 개념은 슈뢰딩거의 파동 역학을 완성시켰고, 전자 현미경이라는 현대 과학의 눈을 탄생시키는 토대가 되었습니다.