[1951 노벨물리학상] 코크로프트 & 월턴 : 인공적으로 원자를 '쪼갠' 최초의 물리학자들

 

 

 

 

 

📜 들어가며: 러더퍼드의 과제, 원자핵을 부술 '망치'를 만들어라

 

1919년, 어니스트 러더퍼드 [1908년 노벨 화학상 수상]는 자연 방사성 물질[라듐]에서 튀어나오는 고에너지 '알파 입자'를 질소 기체에 쏘아, 질소 원자핵을 산소 원자핵으로 바꾸는 인류 최초의 '인공 핵 변환' [연금술]에 성공했습니다.

하지만 그는 이내 한계에 부딪혔습니다. 자연이 제공하는 이 '알파 입자'라는 총알은 그 에너지가 정해져 있었고, 그마저도 무거운 원소의 강력한 전기적 반발력 [쿨롱 장벽] 앞에서는 튕겨 나올 뿐이었습니다.

러더퍼드는 1927년, 케임브리지 대학 캐번디시 연구소의 동료들에게 유명한 연설을 남깁니다.

"나는 더 강력한 총알을 원하네. 자연이 주는 것에 만족할 수 없어. 수백만 볼트의 에너지로 입자를 '인공적으로 가속'시켜 원자핵을 때려 부술 수 있는, 그런 '망치'를 만들어낼 젊은 물리학자가 필요하네."

당시 대부분의 물리학자는 이것이 불가능하다고 생각했습니다. 수백만 볼트의 전압을 다루는 것은 당시 기술로 상상하기 어려웠습니다. 하지만 캐번디시 연구소의 두 젊은 물리학자가 이 '스승'의 과제에 도전했습니다.

한 명은 공학적 재능이 뛰어난 존 코크로프트 [John Cockcroft]였고, 다른 한 명은 아일랜드 출신의 조용하지만 집요한 어니스트 월턴 [Ernest Walton]이었습니다.

1951년 노벨 물리학상은, 이들이 1932년에 이룩한 위대한 성과, 즉 인류 최초의 '입자 가속기'를 만들어, 인공의 힘으로 '원자를 쪼개는' 데 성공한 공로에 수여되었습니다.

 

🏆 영광의 수상 이유: "인공 가속 입자에 의한 원자핵 변환"

 

스웨덴 왕립 과학 아카데미는 1951년, 존 코크로프트와 어니스트 월턴에게 노벨상을 공동 수여하며 그 공로를 다음과 같이 발표했습니다.

"인공적으로 가속된 원자 입자 [atomic particles]에 의한 원자핵 변환에 대한 그들의 선구적인 연구를 기리며"

이 수상 이유는 1939년 어니스트 로렌스 [사이클로트론 발명]의 수상과 맥을 같이 합니다. 로렌스가 '원형 가속기'라는 강력한 도구를 발명했다면, 코크로프트와 월턴은 '직선형 가속기'라는 또 다른 방식의 도구를 발명했고, 가장 중요한 것은 그 도구를 이용해 최초로 '원자를 쪼갠' [Split the Atom] 사람들이라는 점입니다.

그들의 업적은 두 부분으로 나뉩니다.

1. 코크로프트-월턴 가속기 [Cockcroft-Walton Generator]의 발명: 그들은 '전압 증배 회로'라는 방식을 이용해, 낮은 교류 전압을 수십만 볼트의 강력한 직류 고전압으로 바꾸는 장치를 발명했습니다. 이것이 최초의 '선형 입자 가속기' 중 하나입니다.
2. 아인슈타인의 E=mc²를 최초로 증명: 그들은 이 장치로 가속시킨 '양성자'를 리튬[Lithium] 원자핵에 충돌시켰습니다. 그 결과 리튬 원자핵은 두 개의 헬륨 원자핵으로 쪼개졌습니다. 그리고 이 과정에서, 쪼개진 '후'의 질량이 쪼개지기 '전'의 질량보다 가벼워졌으며, 그 '사라진 질량'이 아인슈타인의 공식 E=mc²에 따라 **막대한 '운동 에너지'**로 변환되어 방출됨을 실험적으로 완벽하게 증명해냈습니다.

 

⚡️ '양자 터널링'이라는 뜻밖의 희소식

 

러더퍼드가 '수백만 볼트'를 요구했던 이유는, 원자핵의 반발력[쿨롱 장벽]을 '힘으로' 넘어뜨리려면 그 정도의 에너지가 필요하다고 고전 물리학적으로 계산했기 때문입니다.

하지만 1928년, 러시아의 조지 가모프 [George Gamow]가 새로운 '양자역학'을 바탕으로 놀라운 논문을 발표합니다.

그의 이론, '양자 터널링 효과' [Quantum Tunneling Effect]에 따르면, 입자는 '파동'의 성질을 가지기 때문에, 굳이 장벽을 '넘어설' 에너지가 없더라도, 일정 확률로 그 장벽을 '뚫고' 지나갈 수 있다는 것이었습니다.

이 소식을 접한 코크로프트는 즉시 계산을 다시 했습니다. 가모프의 이론이 맞다면, 굳이 수백만 볼트가 아니라 불과 수십만 볼트 [예: 30만~70만 볼트]의 '비교적 낮은' 에너지의 양성자만으로도 리튬 같은 가벼운 원자핵의 장벽을 '터널링'하여 뚫고 들어갈 수 있다는 결론이 나왔습니다.

'불가능'해 보였던 과제는 '가능한' 도전이 되었습니다.

 

🔬 "전압을 곱하고, 또 곱하라": 가속기의 탄생 [1932]

 

이제 목표는 '70만 볼트'의 고전압을 만드는 것이었습니다. 월턴은 이 문제를 해결하기 위해, '전압 증배기'라는 독창적인 회로를 설계하고 제작했습니다.

이 **'코크로프트-월턴 가속기'**의 원리는 다음과 같습니다.

1. 하나의 변압기로 교류 전압을 만듭니다.
2. '축전기' [Capacitor, 전기를 저장하는 댐]와 '정류기' [Rectifier, 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 밸브]를 여러 층으로 복잡하게 쌓아 올립니다.
3. 첫 번째 층에서 전압을 '저장'했다가 [충전], 다음 층으로 그 전압을 '밀어 올리고', 다음 층에서 또 저장했다가 밀어 올리는 과정을 반복합니다.

마치 물을 여러 개의 펌프로 층층이 끌어올리듯이, 그들은 낮은 전압을 곱하고 또 곱하여 최종적으로 70만 볼트 이상의 강력한 직류 고전압을 만들어내는 데 성공했습니다.

그들은 이 고전압을 수직으로 세워진 거대한 '진공 가속관'에 연결했습니다. 위쪽에서 '양성자' [수소 이온]를 떨어뜨리면, 이 양성자는 70만 볼트의 전기장을 따라 어마어마한 속도로 가속되어 관의 맨 아래쪽에 놓인 '표적' [리튬]을 때리게 됩니다.

 

💥 1932년 4월 14일: 인류, 원자를 쪼개다

 

1932년 4월 14일, 두 사람은 마침내 '70만 볼트'로 가속된 양성자 빔을 '리튬' 표적에 발사했습니다.

그들은 표적 옆에 설치된 형광 스크린 [양성자나 알파 입자가 부딪히면 빛을 내는]을 현미경으로 관찰하고 있었습니다.

그리고 그들은 숨이 멎을 듯한 광경을 목격했습니다.

"섬광이다!"

스크린에는 양성자 빔이 닿지 않는 각도에서, 희미하지만 분명한 '불꽃' [섬광]이 주기적으로 반짝이고 있었습니다.

그들은 이 '불꽃'이 무엇인지 알기 위해 입자의 궤적을 측정했습니다. 그 정체는 바로 '알파 입자' [헬륨 원자핵]였습니다. 더 놀라운 것은, 이 알파 입자가 항상 '두 개씩 쌍으로', 서로 정반대 방향으로 튕겨 나온다는 것이었습니다.

그들은 인류 최초로 '원자핵 분열'의 순간을 목격한 것입니다.

p [양성자] + ⁷Li [리튬] → ⁸Be [불안정한 베릴륨] → ⁴He [알파 입자] + ⁴He [알파 입자]

무거운 리튬 원자핵[질량수 7]이 양성자[질량수 1]를 먹고, 극도로 불안정한 베릴륨[질량수 8]이 되었다가, 순식간에 두 개의 안정적인 헬륨[질량수 4]으로 '쪼개진' 것입니다.

 

✍️ E=mc²의 완벽한 증명

 

코크로프트와 월턴은 여기서 멈추지 않았습니다. 그들은 튕겨 나온 두 알파 입자의 '운동 에너지'를 정밀하게 측정했습니다.

측정 결과, 두 알파 입자의 운동 에너지를 합친 값은 약 1,730만 전자볼트 [17.3 MeV]였습니다.

그런데 그들이 '총알'로 쏜 양성자의 운동 에너지는 고작 70만 전자볼트 [0.7 MeV]였습니다.

0.7 MeV를 투입했는데, 17.3 MeV가 튀어나왔습니다. 에너지가 '창조'된 것입니다!

이 '남는' 에너지는 어디에서 왔을까요? 그들은 즉시 아인슈타인의 E=mc² 공식을 꺼내들었습니다. 그들은 반응 전후의 '질량'을 정밀하게 계산했습니다.

1. 반응 전 질량: 양성자 1개 + 리튬 원자핵 1개
2. 반응 후 질량: 헬륨 원자핵 2개

계산 결과, 반응 '후'의 총 질량이 반응 '전'의 총 질량보다 약 1% '가벼워진' 것을 발견했습니다.

그들은 이 '사라진 질량' [Mass Defect]을 아인슈타인의 공식 E = mc²에 대입하여 에너지로 환산했습니다. 그 값은... 놀랍게도 그들이 측정한 '남는 에너지' 1,730만 전자볼트와 완벽하게 일치했습니다.

이것은 인류 역사상 최초로 '질량이 에너지로 변환될 수 있다'는 아인슈타인의 위대한 예언을 실험실에서 정량적으로 증명한 순간이었습니다. '원자력 시대'의 이론적, 실험적 토대가 모두 완성된 것입니다.

 

🧐 TMI와 그들의 유산

 

## 1932년, 물리학의 '기적의 해'

1932년은 코크로프트와 월턴의 '원자핵 분열' 외에도, 제임스 채드윅의 '중성자' 발견, 칼 앤더슨의 '양전자' [반물질] 발견이 모두 이루어진, 물리학 역사상 제2의 '기적의 해'였습니다.

## 노벨상, 왜 19년이나 늦어졌나?

그들의 발견은 1932년에 이루어졌지만, 노벨상은 19년이나 지난 1951년에야 수여되었습니다. 여기에는 여러 이유가 있습니다. 1930년대에는 채드윅[1935], 앤더슨[1936], 페르미[1938], 로렌스[1939] 등 쟁쟁한 발견들이 쏟아졌습니다. 그리고 곧이어 터진 제2차 세계대전[1940-1942 공백]이 시상 자체를 중단시켰습니다.

전쟁이 끝나고, 그들의 발명이 '원자력 시대'의 진정한 '시작'이었음이 역사적으로 검증된 후에야, 위원회는 늦은 영광을 돌렸습니다.

## 코크로프트와 월턴의 삶

존 코크로프트는 2차 대전 중 '레이더' 개발의 핵심 리더로 활약했으며, 전후 영국 원자력 연구소[AERE]의 소장이 되어 영국 핵개발 프로그램을 이끌었습니다.

어니스트 월턴은 아일랜드 출신으로, 노벨상 수상 이후에도 조국 아일랜드의 더블린 트리니티 칼리지에 남아, 평생을 학생들을 가르치며 겸손하고 헌신적인 교육자로 살았습니다. 그는 아일랜드 유일의 노벨 과학상 수상자로 기록되어 있습니다.

 

✍️ 나가며: '원자 시대'의 진정한 개막

 

코크로프트와 월턴의 1951년 노벨 물리학상은 1932년의 그 위대한 순간, 인류가 처음으로 '신의 영역'이라 불리던 원자핵을 '인공의 힘'으로 쪼개고, 그 안에서 질량이 에너지로 변환되는 것을 목격한 공로에 대한 찬사입니다.

어니스트 로렌스의 '사이클로트론'이 더 강력한 에너지를 향해 나아갔다면, 코크로프트와 월턴의 '가속기'는 '양자 터널링'이라는 새로운 물리학을 증명하며 그 시작을 열었습니다.

그들이 '리튬 원자핵'을 깨뜨린 그 섬광은, 훗날 '우라늄 원자핵'이 분열하며 내뿜을 거대한 불꽃의 첫 번째 신호탄이었습니다. '핵 시대'는 바로 그들의 실험실에서 시작되었습니다.