Z20141126 p by Communicationbooks

물질의 발견 처음엔 빛인 줄 알았다. 그러나 빛을 내는 라듐은 물질이었다. 보이지도 않고 잡히지도 않는 물질. 마리 퀴리는 그것의 무게를 계산한다. 빼고 빼고 또 빼서 물질을 발견한다.

최초의 여성 노벨상 수상자이자 최초의 노벨상 2회 수상자, 마리 퀴리(1867~1934)

인텔리겐치아 2329호, 2014년 11월 26일 발행

박민아가 옮긴 마리 퀴리의 ≪방사성 물질≫ 이 연구는 명백하게 알려져 있는 원소들에 매우 신기한 특성을 지닌 새 원소를 추가하 는 일인 동시에 새로운 화학 연구 방법을 정 립시키고 그 타당함을 보여 주는 일이기도 했다. 방사능을 물질의 원자적 특성으로 가 정하는 데서 시작되는 이 방법은 피에르 퀴 리와 나의 라듐 발견을 가능하게 했던 바로 그 방법이었다. －«방사성 물질(Radio-active Substances)», 마리 퀴리(Marie Curie) 지음, 박민아 옮김, 4~5쪽

이 글의 출처는 어딘가? 마리 퀴리가 1903년 노벨상 받던 해에 파리 대학에 제출한 박사 학위 논문이다. 이 논문의 목적은 뭔가? 방사능 연구에서 자신이 한 일이 무엇인지 를 분명하게 밝히는 것이다. 다른 연구자들 의 성과와 구분을 해야 하니 다른 사람들은 뭘 했는지도 잘 정리해 놓았다. 방사성 물질이란 무엇인가? 방사능을 띠는 물질이다. 우라늄이나 라듐, 폴로늄 같은 원소다. 만들거나 유도한 현상 이 아니라 자연계에 존재하는 자연 물질이 다.

연구는 어디서 시작되었나? 물리학자 베크렐이 발견한 우라늄선이었 다. 처음에는 우라늄이 태양빛을 받아 발생 한 것으로 생각했는데 몇 해 동안 어두운 데 둬도 우라늄선이 계속 나오는 것을 보고 깜 짝 놀랐다. 퀴리는 우라늄이나 토륨 이외의 다른 광물에서도 나오는지 조사하면서 이 연구의 늪 혹은 금광에 빠져들고 말았다. 어떤 늪인가? 선행 연구자들의 결과는 있었지만 당시까 지는 알려지지 않았던 것을 처음 밝혀내야 하는 어려움이었다.

마리 퀴리가 연구한 것이 무엇인가? 방사능을 띠는 라듐이 화학원소라는 걸 입 증하고 라듐과 폴로늄에서 나오는 방사선 의 특성을 연구했다. 라듐이 화학원소라는 건 어떻게 입증했나? 라듐 원자량을 결정해서 입증했다. 라듐 원 자량을 결정한 것은 대단한 일이었다. 내가 존재하지 않는다면 내 키나 몸무게를 잴 수 있겠는가? 퀴리는 라듐 원자량을 결정해서 라듐이 존재한다는 것을 입증한 것이다. 게 다가 원소인데 방사능까지 띤다지 않는가. 원소가 방사능을 띠니까 방사능이 원자 수 준의 기본적인 현상이라는 것까지 보여 준 셈이다.

라듐 원자량은 어떻게 측정했나? “측정”했다고 하니까 라듐 가져다가 저울에 올려놓고 눈금 읽어서 쟀을 것 같은데, 실제 는 좀 복잡하다. 우라늄 뽑고 남은 광석찌꺼 기인 피치블렌드에서 아주 소량의 염화라듐 을 분리해 낸 후에 그 질량을 다른 염화물과 비교해서 라듐 원자량을 계산해 냈다. 피치블렌드에서 라듐은 어떻게 분리해 냈나? 피치블렌드는 극미량의 라듐을 포함하고 있지만 어쨌든 이것저것 엄청나게 많은 원 소들이 섞여 있는 돌덩어리다. 그래서 가장 먼저 할 일이, 라듐에 비해 그 양이 엄청나게 많아서 주객전도의 느낌이 있기는 하지만, ‘불순물’을 제거하는 것이다. 여러 가지 화

학용액에 녹여서 라듐을 제외한 불순물들 을 제거하고 또 제거했다. 다행히 라듐은 이 용액들에 잘 안 녹아서 끝까지 남아 있었다. 방사선은 무엇인가? 방사성 물질에서 나오는 알파, 베타, 감마선 의 복사선이다. 알파 베타 감마선이 뭔가? 세 종류의 방사능 복사선이 나오는 건 알겠 는데 정체가 뭔지를 몰랐다. 러더퍼드 등 초 기 방사선 연구자들은 편의상 그리스어 알 파벳 첫 세 문자, 곧 α, β, γ 를 가져다 불렀 다. 나중에 α선은 He2+ 이온, β선은 전자, γ선 은 투과성이 강한 빛이라는 게 밝혀졌다. 처

음 붙인 이름 그대로 지금까지도 알파선, 베 타선, 감마선이라고 부른다. 마리 퀴리는 방사선에 대해 무엇을 연구한 것 인가? 라듐이나 폴로늄에서 나오는 방사선의 특 성을 확인하는 실험들을 수행했다. 그 방 사선들에 자기장을 걸어서 휘는 정도를 확 인하거나 광선들이 다양한 물질의 차폐막 을 얼마나 잘 통과하는지를 측정하기도 했 고, 방사선들이 일으키는 형광, 야광, 발열 등 여러 가지 효과들도 조사했다. 방사선이 만들어 내는 2차적인 방사능 효과도 조사했 다.

어떤 의미가 있는 연구인가? 방사능이라는 개념을 정립해, 몇몇 물질에 국한되어 있다고 여겨졌던 현상에 보편성을 부여했다. 또, 방사성 원소를 두 종류나 발 견해서 방사능이 원자 수준에서 나타나는 자연의 매우 기본적인 현상이라는 점도 밝 혀냈다. 방법론적으로는 분별결정법과 방 사능 세기 측정을 결합한 새로운 원소 찾기 방법도 개발했다. 하지만 제일 중요한 건 이 분야에 처음 들어온 연구자들도 쉽게 시작 할 수 있도록 개념과 연구방법을 정립한 것 이다. 퀴리는 어떤 보상을 받았나? 논문을 제출한 해인 1903년 제3회 노벨 물리

학상을 받았고 1911년에는 노벨화학상을 받 았다. 하지만 방사능 분야의 연구가 엄청나 게 ‘핫’한 연구가 되고 퀴리의 연구소가 그 연구의 세계 중심지가 된 것이 더 큰 보상이 아닐까 싶다. 그녀는 어떤 인물인가? 최초의 여성 노벨상 수상자이자 최초의 노 벨상 2회 수상자, 최초의 파리대학 여교수 등 ‘최초’라는 영광을 장식품처럼 달고 다니 는 사람이었다. ‘여성인데 과학자가 된 사 람’으로 유명하지만, 과학자로 뭘 연구하고 살았는지, 그게 왜 중요한지는 생각보다 잘 알려져 있지 않다. 그녀는 자신을 남편과는 독립적인 연구자로 인정받으려 했던 강인

한 여성이었다. 이 책 ≪방사성 물질≫에서 무엇을 배울 수 있 을까? ‘발견’한다는 것이 도대체 무엇인가에 대해 생각해 보게 된다. 그동안 없었던 것을 남들 에게 있다고 설득해야 하는데, 과학에서 발 견이 보물찾기 하듯 찾아서 눈앞에 내보일 수 있는 것이 아니라서, 그 존재를 보이는 일의 복잡함과 고단함을 알게 된다. 그래서 새삼 발견의 위대함을 깨닫게 된다. 당신은 누구인가? 박민아다. 서양과학사를 쓰고 강의한다.

최초의 여성 노벨상 수상자이자 최초의 노벨상 2회 수상자, 마리 퀴리(1867~1934)

방사성 물질 마리 퀴리 지음 박민아 옮김 2014년 11월 25일 출간 사륙판(128 *188) 무선제본 , 198쪽 18,000원

작품 속으로

Radio-active Substances 방사성 물질

서론

이 논문의 목적은 4년 넘게 해 온 방사성 물체에 대한 연구를 발표하는 것이다. 나는 이 연구를 베크렐(Henri Becquerel, 1852∼1908)1)이 발견한 우라늄의 인광에 관한 연구에서부 터 시작했다. 본 논문으로 이어진 결과들이 매우 흥미진진한 연구 분야의 가능성을 보여 주었기에 피에르 퀴리(Pierre Curie, 1859∼1906)2)는 하던 연구를 접고 내 연구에 합류했 고, 우리는 새로운 방사성 물질 추출과 그 특성에 대한 상세 한 연구를 목표로 삼게 되었다. 연구에 착수한 이후 줄곧 우리가 발견해서 정제한 시료 를 몇몇 물리학자들에게, 그중에서도 가장 먼저 우라늄선 발견의 공이 있는 베크렐에게 넘겨주는 것이 좋겠다고 생각 했다. 이런 식으로 우리는 우리 외에 다른 이들의 방사능 물

1) 프랑스의 물리학자로 우라늄에서 방사능 현상을 처음 발견했다. 그 는 이 공로로 1903년에 퀴리 부부와 함께 노벨물리학상을 수상한다. 2) 프랑스 물리학자이자 마리 퀴리의 남편. 마리 퀴리와의 방사능 공동 연구 이전에 이미 결정, 자기, 압전기 등에 대한 연구로 물리학자로 서의 명성을 쌓고 있었다.

질 연구까지도 가능하게 만들었다. 우리가 첫 논문을 마칠 무렵, 독일의 기젤(Friedrich Oskar Giesel, 1852∼1927)3) 도 방사성 물질 정제에 착수해서 그 시료를 몇몇 독일 과학 자들에게 넘겨주었다. 결국에는 프랑스와 독일의 시장에서 도 방사성 물질들이 판매가 되었다. 그리고 이 문제의 중요 성이 대두되고 과학적 발전이 이루어짐에 따라 방사성 물체 에 대한 수많은 논문들이, 주로 해외에서 발간되었거나 지 금도 계속해서 나오고 있다. 새로운 문제의 탐구 과정에서 는 언제나 그렇듯이, 프랑스나 해외에서 나온 수많은 결과 들은 혼란스러울 수밖에 없었으며 질문의 방향도 항상 바뀌 었다. 하지만 화학적 관점에서 한 가지 사실은 분명하게 확립 되었다. 강력한 방사능을 띠는 새로운 원소의 존재, 즉 라듐 이 바로 그것이다. 순수한 염화라듐의 정제 및 라듐의 원자

3) 독일의 유기화학자. 키니네 공장에서 일하던 중 방사화학이라는 당 시의 최신 분야에 발을 들여놓았다. 그는 우라늄 광석으로부터 대량 으로 라듐과 폴로늄을 생산해 판매함으로써, 당시 방사능 연구자들 에게 방사성 물질을 공급했다. 1902년에서 1904년 사이 그는 새로운 방사성 물질을 발견하여 에마니움(emanium)이라는 이름을 붙였는 데, 후에 이 물질이 퀴리의 공동연구자였던 드비에른이 1899년에 발 견한 악티늄과 동일한 물질인 것으로 밝혀져 발견의 영예를 누리지 못했다.

량 결정이 내 연구의 주요한 부분을 이루었다. 이 연구는 명 백하게 알려져 있는 원소들에 매우 신기한 특성을 지닌 새 원소를 추가하는 일인 동시에 새로운 화학 연구 방법을 정 립시키고 그 타당함을 보여 주는 일이기도 했다. 방사능을 물질의 원자적 특성으로 가정하는 데서 시작되는 이 방법은 피에르 퀴리와 나의 라듐 발견을 가능하게 했던 바로 그 방 법이었다. 화학적인 관점에서 우리가 건드렸던 주된 질문들은 해 결된 것으로 간주할 수 있는 반면, 방사성 물질의 물리적 특 성에 대한 연구는 한창 진행 중이다. 몇몇 중요한 사항들이 정립되었지만, 다수의 결론은 여전히 잠정적인 성격을 띠 고 있다. 방사능으로 인해 나타나는 현상의 복잡성이나 다 양한 방사성 물질들 간에 존재하는 차이를 생각해 보면 이 는 그다지 놀랄 만한 일이 아니다. 물리학자들의 방사성 물 질에 대한 연구는 끊임없이 접점이 생기고 포개지고 있다. 이 논문의 경계를 분명하게 하고 내 개인의 연구만을 담으 려고 했지만, 이와 함께 빠져서는 안 될 지식인 다른 이들의 연구 결과도 언급하지 않을 수 없었다. 더욱이 나는 이 논문을 이 문제의 현 위치를 보여 주는 포괄적인 연구로 만들고 싶기도 했다. 뒤에는 내가 특별히 관심을 갖고 있거나 피에르 퀴리와

함께 탐구했던 구체적인 질문들을 제시해 놓았다. 고인이 된 학장 쉬젠베르거(Schüzenberger) 씨와 현 학 장인 라우스(Lauth) 씨의 허락을 받아 나는 이 연구를 파리 시립 산업 물리화학 학교(Ecole de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris)의 실험실에서 수행했다. 이번 기회에 이 학교에서 보여 준 친절한 호의에 감사를 표 하는 바다.

역사적 고찰 방사능 현상의 발견은 뢴트겐선 발견 이후 이어진 인광 및 형광 물질의 사진 효과에 관한 연구와 연결되어 있다. 뢴트겐선을 만들어 낸 최초의 진공관에는 금속 양극 (antiᐨcathod)이 없었다. 뢴트겐선은 음극선이 부딪힌 유 리관의 표면에서 발생했고, 이와 동시에 이 표면에는 강한 형광이 나타났다. 그렇다면 형광의 원인이 무엇이든 간에 뢴트겐선이 나올 때면 반드시 형광도 같이 나오는가 하는 문제가 제기되었다. 이 생각은 푸앵카레(Henri Poincaré, 1854∼1912)4)가 처음으로 분명하게 제기했다. 그 직후, 앙리가 인광을 띠는 황화아연을 써서 검은 종이

를 뚫고 찍힌 사진을 얻었다고 발표했다. 니벤글로프스키 (Gaston Niewenglowski)는 빛에 노출된 황화칼슘으로도 같은 현상을 얻어냈다. 마지막으로 트루스트(Troost)는 인 공적으로 인광을 띠게 된 황화아연을 써서 검은 종이와 두 꺼운 판지를 가로질러 진한 상을 남긴 사진을 얻어 냈다. 방금 언급한 실험들은 여러 번의 시도에도 불구하고 재 현되지 못했다. 이에 따라 빛이 작용할 때 황화아연과 황화 칼슘에서 나와 검은 종이를 통과해 사진판에 작용하는 눈에 보이지 않는 광선의 존재는 입증된 것으로 볼 수 없었다. 베크렐은 우라늄염을 가지고 비슷한 실험을 했는데, 그 중 일부는 형광을 띠었다. 그는 황산우라닐칼륨[K2UO2(SO4)2]을 가지고 검은 종이 를 투과해서 찍힌 사진을 얻었다. 베크렐은 처음에는 형광을 띠는 이 염이 앙리나 니벤글 로프스키, 트루스트의 실험의 황화아연이나 황화칼슘처럼 작용하는 것이라고 생각했다. 하지만 그 실험의 결론은 관 찰된 현상이 형광과는 전혀 관련이 없음을 나타내고 있었

4) 프랑스의 수학자이자 이론물리학자, 엔지니어. 다재다능하고 물리 학에 대한 날카로운 직관과 뛰어난 통찰력을 지녔던 푸앵카레는 마 리 퀴리가 파리대학을 다닐 당시 그곳의 교수로 있었다.

다. 우라늄염이 형광을 띨 필요는 없었다. 뿐만 아니라, 우 라늄과 그 화합물 모두는 형광이든 아니든 간에 같은 식으 로 작용했고, 그중에서도 금속우라늄이 가장 강하게 작용 했다. 베크렐은 결국 우라늄 화합물을 칠흑 같은 어둠 속에 놓아두어도 이 화합물이 검은 종이를 통과해 사진 건판에 수년 간 지속적으로 작용한다는 점을 알아냈다. 베크렐은 결국 우라늄과 그 화합물들이 특별한 광선들, 즉 우라늄선 을 방출한다는 점을 인정했다. 그는 이 광선들이 얇은 금속 스크린을 투과할 수 있고 전기를 띤 물체를 방전시킨다는 점을 입증했다. 실험을 통해 우라늄선이 반사, 굴절, 편광된 다는 결론을 얻기도 했다. 엘스터(Julius Elster, 1854∼1920)와 가이텔(Hans Geitel, 1855∼1923)5), 켈빈 경(Lord Kelvin, 1824∼1907)6), 슈미트 (Gerhard Carl Schmidt, 1865∼1949)7), 러더퍼드(Ernest

5) 엘스터와 가이텔은 독일 출신의 물리학자로 친구 사이였던 두 사람 은 대기 전류, 방사능 에너지 등에 대해 함께 논문을 발표했다. 6) 윌리엄 톰슨(William Thomson). 절대온도의 단위 K로 유명한 영국 물리학자로, 후에 과학적, 정치적 공헌으로 남작에 서훈된 후부터는 켈빈 경으로 불렸다. 열역학 제 2법칙의 성립에 기여했으며, 그 외에 도 19세기 열역학과 전자기학의 정립과 발전을 이끌었다. 일찍이 피 에르 퀴리의 재능을 알아보고 국제적으로 그의 명성을 인정했다.

Rutherford, 1871~1937)8), 베아티(Beattie), 스몰루코프스키 (Smoluchowski) 등 다른 물리학자들의 연구도 베크렐의 연 구 결과를 확증해 주고 확장시켜 주었다. 다만 우라늄선의 반사, 굴절, 편광에 관한 실험만은 예외였다. 먼저 러더퍼드 가, 그 후에 베크렐 자신이 알아낸 바에 따르면 우라늄선은 이 점에 있어서 뢴트겐선처럼 행동한다.

7) 독일 화학자로 1898년 마리 퀴리가 방사능을 발견하기 몇 달 전에 토 륨이 방사능을 띤다는 것을 발견했다. 8) 뉴질랜드 출신의 영국 물리학자로, 특히 실험 물리에서 두각을 나타 냈으며 20세기 초 마리 퀴리와 함께 방사능 연구를 이끌었다. 방사선 이 성질이 다른 몇 종류의 광선으로 이루어져 있다는 것을 발견하여

α선, β선으로 구분했으며, 방사능 현상이 화학 원소의 변화를 동반한 다는 것을 알아냈다. 이런 공로를 인정받아 1908년 노벨화학상을 수 상했다.

지금까지 북레터 ＜인텔리겐치아＞를 보셨습니다. 매일 아침 커뮤니케이션북스와 지식을만드는지식 저자와 독자들을 찾아갑니다. ＜인텔리겐치아＞사이트(bookletter.eeel.net)를 방문하면 모든 북레터를 만날 수 있습니다.