사람 몸을 통과하는 푸른빛을 연구한 천재들

기획·칼럼

사람 몸을 통과하는 푸른빛을 연구한 천재들
[기상천외한 과학자들의 대결] (22) 빌헬름 뢴트겐과 어니스트 러더퍼드

2021.02.15 07:56 김은영 객원기자

지금은 흔하게 병원에 가서 찍는 X선(X-ray)이지만 1895년 빌헬름 뢴트겐이 발견했을 때는 사람의 몸을 관통해 뼈를 보여주는 ‘정체불명의 빛’이었다. X선이 처음 발견되었을 때 사람들은 이 ‘미지(未知)의 선(ray)’에 경악과 동시에 감탄을 멈추지 못했다.

X선의 발견은 인류에게 크나큰 선물이었다. 빌헬름 뢴트겐이 X선을 발견하자 어니스트 러더퍼드는 X선의 원자 구조를 밝혀낸다. 러더퍼드는 X선을 통해 ‘방사능’이라는 새로운 과학의 영역을 창출해냈다.

X선을 발견해 인류와 공유한 ‘빌헬름 뢴트겐’

빌헬름 뢴트겐은 X선을 발견한 공로로 1901년 첫 노벨 물리학상을 수상했다. 그가 발견한 X선은 인류에게 커다란 도움을 줬다. 우리가 쉽게 X선 촬영을 통해 병의 원인을 알아내고 치료할 수 있게 된 것은 뢴트겐 덕분이다.

X선을 발견했지만 아무런 이득을 취하지 않고 누구나 사용할 수 있도록 한 빌헬름 뢴트겐(Wilhelm Conrad Röntgen, 1845~1923) ⓒ 김은영/ ScienceTimes

X선은 우리 몸 속뼈와 장기를 들여다보고 무엇이 문제인지 진단해 준다. CT(컴퓨터 단층촬영)와 MRI(자기공명영상) 또한 X선의 촬영 원리를 이용해 더욱 세밀하게 진단이 가능하도록 발전된 결과다. X선은 의료 분야 외에도 표면 속 내부 손상 여부를 알아낼 수 있는 비파괴 검사, 범죄 현장에서 사용되는 X선 결정학 등 수많은 분야에서 응용 활용되며 과학 발전에 기여하고 있다.

뢴트겐은 X선으로 특허를 취득해 많은 돈을 벌 수 있었지만 이를 거절하고 모든 사람들이 X선을 쉽고 편하게 이용할 수 있도록 했다. 그는 최초의 노벨 물리학상 수상자이며 수많은 논문을 낸 저명한 물리학자였지만 말년에는 수입이 없어 고전했다. 그러나 뢴트겐은 “X선은 내가 발견한 것일 뿐 그로 인해 많은 돈을 가지는 것은 옳지 않다”며 끝까지 자신이 가진 신념을 지켰다.

X선 촬영을 통해 많은 병의 원인을 밝혀낼 수 있다. ⓒ 위키미디어

X선을 인류에게 알린 위대한 물리학자 뢴트겐. 하지만 놀랍게도 고등학교 졸업장을 취득하지 못해 좌절을 겪었던 시기가 있었다. 교사의 오해로 인해 고등학교를 졸업하지 못한 그는 대학 진학할 수 없었다. 그에게 닥친 첫 번째 좌절이었다. 우여곡절 끝에 고등학교 졸업장이 없어도 입학이 가능한 스위스 취리히 공대에 입학한다. 박사 학위를 받았지만 고등학교 졸업장이 없다는 이유로 대학의 정식 교원 자리를 거절당하기도 한다.

이후에도 ‘고등학교 미졸업자’라는 꼬리표는 그를 오랫동안 따라다니며 괴롭혔다. 고등학교 때 친구가 그린 교사의 불경스러운 초상화를 뢴트겐이 그렸다는 사소한 오해에서 시작된 일이 그의 인생에 큰 오점을 남기는 일이 계속되자 그는 오랜 실의에 빠지기도 한다. 하지만 뢴트겐은 모든 것을 극복하고 최초의 노벨 물리학상을 수상하는 한편 인류에게 최고의 선물을 선사한 물리학자가 된다.

X선의 원자구조를 알아낸 핵물리학의 아버지 ‘어니스트 러더퍼드’

당시 뢴트겐이 발견한 X선은 당시 많은 과학자들에게 영감을 줬다. 그만큼 X선 발견은 과학계에도 일대 파란을 일으킨 획기적인 사건이었다. 1908년 노벨 화학상을 수상한 어니스트 러더퍼드가 원자구조를 발견한 것도 뢴트겐이 발견한 X선 발견이 단초가 됐다.

X선 원자의 구조를 알아낸 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871~1937) ⓒ 위키미디어

1895년 뢴트겐이 X선을 발견하자 조셉 존 톰슨 케임브리지 대학 캐번디시 연구소장은 원자를 더 쪼갤 수 있을 것이라고 생각하고 러더퍼드에게 기체에 미치는 X선 효과에 관한 공동연구를 제안했다. 이들은 기체 방전 현상을 연구해 X선으로 기체에 전기가 흐를 수 있다는 사실을 알아냈다. 원래 기체는 전기를 전도하지 않는다. 그런데 X선을 쬔 기체는 쉽게 전기를 통과시켰다.

이후 러더퍼드는 방사선의 한 종류인 알파선의 구성 입자가 산란하는 실험을 통해 원자의 중앙에는 양전하의 원자핵이 존재하고 핵 주위에는 전자가 돌고 있다는 원자모형을 발표했다. 이는 향후 닐스 보어로 이어진 위대한 양자론의 시작이다.

러더퍼드가 주장한 원자핵이 있는 원자모형. ⓒ 위키미디어

당시 사람들은 러더퍼드의 이론을 받아들이지 않고 비웃었다. 당시 근대 과학에서 원자는 물질을 이루는 가장 작은 단위로 여겨졌기 때문이다. 원자는 더 이상 쪼갤 수 없고 다른 원자로 변할 수도 없다고 생각했던 것이다. 하지만 조셉 존 톰슨이 원자에서 전자를, 1919년 러더퍼드가 양성자를 발견하면서 원자는 더 작은 단위로 분할된다는 것이 입증됐다.

반면 이렇듯 위대한 과학의 발전 뒤에는 예상치 못한 결과가 발생하기도 한다. 뢴트겐의 X선 발견에서 러더퍼드의 원자핵 연구는 결국 원자폭탄 개발로 이어진다. 원자핵을 분열시킬 수 있다는 것이 밝혀진 후 10년도 안 돼 만들어진 원자폭탄은 전쟁의 참혹한 광경을 만들었다. 우리는 종종 과학이 항상 인류에게 이로운 방향으로만 작동하는 것은 아니라는 ‘불편한 진실’과 마주하게 된다. 어떤 결과를 만들 것인가는 인간이 어떤 방식으로 과학의 이기를 사용하느냐에 달려있다는 뜻이기도 하다.

(5245)