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TAG: Cavendish Laboratory (캐번디시 연구소)

작성 2015-09-16
조회 7,751

출생1856-12-18 영국
국적 영국
분야실험물리학
소속캐번디시 연구소
출신대학캐임브리지 대학, 트리니티 칼리지
주요업적기체의 전도성에 대한 이론적, 실험적 연구
수상노벨 물리학상(1906)

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인물정보: 영국의 실험물리학자. 기체방전의 연구를 하여 전자의 존재를 증명하였으며, 양극선에 관한 연구로 입자를 질량에 의해 분리시키는 방법을 창안하고 분석기를 제작하여 네온의 동위원소 분리에 성공하였다. 1856년 12월 18일 영국 치탐힐(Cheetham Hill)출생인 조셉 존 톰슨. 캐번디시 연구소로 향하는 캐임브리지에 있는 트리니티 대학에 입학한다. 음극선에 관한 그의 연구는 전기를 발견하도록 이끌었고 원자구조에 있어서 더 많은 혁신을 추구해 나갔다. 1906년 수많은 갈채 속에 노벨 물리학상을 수상한 그는 1940년 8월 30일 많은 업적을 남기고 숨을 거두었다. 그의 아버지는 서점을 운영하셨고 톰슨이 엔지니어가 되기를 바라셨다. 하지만 엔지니어 회사에서는 견습생을 찾아 볼 수 없던 시대였기에 톰슨은 14살이라는 나이에 오웬 대학(Owens College)입학을 기다리고 있었다. 1876년 트리니티 대학에서 수학을 전공하고 학사학위를 받는다. 졸업 후 톰슨은 캐번디시 연구소에서 로드 레일리(Loard Rayleigh)밑에서 연구를 했다. 단시간에 일류 왕립협회 회원이 되었고 28살의 사이에 캐번디시 물리학 교수로 레일리의 후임으로 인정받았다. 그는 존경받음과 동시에 많은 사람부터 사랑을 받는 교수였고 세계의 많은 학생들이 그에게 배우기 위해 찾아왔다. 1894년 톰슨은 고진공 튜브에서 전기방전을 유도하는 광선살을 타오르게 하는 음극선을 연구하기 시작했다. 그 당시 물리학자들 사이에서는 분명하지 않은 음극선은 각광받던 주제였다. 톰슨은 전보다 더 나은 기구와 방법을 고안해 내었다. 진공을 통해 광선을 통과시켰을 때 굴절되고 분자 덩어리를 전하의 비율을 측정되는 각도를 측정할 수 있었다. 그는 어떤 기체가 사용되는지에 상관없이 비율이 같다는 것을 발견했으며 그것은 가스로 이루어진 분자가 일반적이라는 결론을 도출해 내었다. 모든 물질은 원자보다 더 작은 아주 작은 분자로 구성되어 있음을 밝혔다. 지금은 전자라고 부르는 것을 톰슨은 처음에‘혈구’라고 불렀고 이러한 발견은 원자가 가장 작은 기초 단위라는 이론을 뒤집었다. 1906년 톰슨은 양전하를 가진 이온과 양극선에 대해 연구하기 시작하는데, 자석과 전기 분야와 질량비로 전하를 측정하기 위한 굴절기술을 통해 그가 이온화된 네온 흐름에 관한 연구에 몰두했을 때, 이 연구는 1912년 다른 발견으로 이끄는 발판이 된다. 이 연구로 인해 그는 네온이 두 개의 다른 원자로 구성되어있다는 것을 발견했고 동위 원소의 존재를 증명해 냈다. 이것은 분광 분석법을 첫 번째로 사용한 것 이였다. 톰슨은 그의 학생 중 한명이였던 로스 파짓(Rose Paget)과 1892년 결혼하였다. 한명의 딸과 아들을 낳았다. 그의 아들 조지 파짓 톰슨(George Paget Thomson)은 물리학자이자 노벨상을 수상하였다. 토슨은 인생동안 13권의 책을 출간하였고 200편 넘는 논문을 발표하였다. 1906년 노벨상 수상 뿐만 아니라, 1908년 국가에 대한 공로를 인정받아 에드워드 8세로부터 훈위를 수여받았다. 1918년 연구소를 떠나 트리니티 대학의 박사가 되었다. 그는 1940년 8월 30일 케임브리지에서 숨을 거두었으며 영향력 있는 과학자 아이작 뉴톤과 찰스 다윈이 잠들어 있는 곳 주변에 묻혔다.

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시상연설: 전하, 그리고 신사 숙녀 여러분. 실생활에서 전기의 중요성은 날로 증가하고 있습니다. 전기의 개념은 몇십 년 전만 하더라도 지식인의 실험실에서나 진행되는 조용한 학문 탐구의 대상이었습니다만, 이제는 시끌벅적한 대중적 화제가 되었습니다. 대부분의 사람들이 무게나 질량처럼 전기에 익숙해질 날이 조만간 올 것입니다. 그러나 중요한 것은 전기를 연구하는 과학자들에 의해 과학계에 혁명이 일어나고 있다는 것입니다. 1820년 외스테드가 전류에 의해 자침이 움직이는 현상을 발견하자마자, 프랑스의 천재적인 과학자 암페어가 전기로 유도된 자기 현상을 설명하는 이론을 내놓았습니다. 스코틀랜드의 유능한 물리학자인 맥스웰의 이론적 연구는 이 현상들을 설명하는 데서 더 나아가 빛이 에테르 내에서 일어나는 전자기의 파동임을 증명하였습니다. 지난 몇 년간 일어났던 가스 내의 전기방전에 관한 위대한 발견들도 이에 버금가거나 더 중요한 것임은 의심의 여지가 없습니다. 왜냐하면 그 발견들이 물질에 대한 이해를 크게 발전시킬 것이기 때문입니다. 올해의 물리학상 수상자인 케임브리지 대학교의 톰슨 교수는 지난 수년간 주도 면밀한 연구를 추진하여 이 분야에서 가장 핵심적인 기여를 했습니다. 1834년 패러데이는 모든 원자들이 원자가에 따라 수소원자의 전하 혹은 그 배수에 해당하는 전하를 띤다는 매우 중요한 사실을 발견했습니다. 이 발견이 있자 헬름홀츠를 포함한 많은 사람들은 자연스럽게 수소원자 고유의 전하량으로서의 단위전하, 다시 말해 전기의 원자를 거론하게 되었습니다. 패러데이의 법칙을 달리 표현하자면 1그램의 수소(혹은 이에 상당하는 질량의 다른 원소)는 28950×1010의 정전하를 띤다는 것입니다. 1그램의 수소에 얼마나 많은 수소원자가 있는지를 알기만 하면, 우리는 각각의 수소원자 한 개가 가지는 전하를 계산할 수 있습니다. 지난 세기 과학자들 사이에 가장 인기가 있는 연구주제였던 기체동역학은 가스가 자유로이 움직이는 분자들로 되어 있다는 가정에 바탕을 두고 있는데, 압력이란 바로 이들 분자들이 가스를 가두는 벽에 부딪치는 충격량입니다. 따라서 압력으로부터 정확하게 가스분자들의 속도를 계산할 수 있습니다. 또한 가스가 확산하는 속도나 이와 밀접한 현상들로부터 분자들이 차지하는 공간의 부피를 정확히 계산할 수 있습니다. 이런 방법으로 과학자들은 분자의 질량을 알 수 있었으며, 수소와 같은 화학물질 1그램 속에 들어 있는 원자 수를 계산할 수 있었습니다. 그러나 이렇게 얻어진 값이 아주 정확하다고 주장할 수는 없었으며 많은 과학자들은 추측에 불과하다고 생각하였습니다. 고성능 현미경으로 물 한 방울 속의 분자 수를 셀 수 있었다면 상황은 크게 달라졌을 것입니다만, 그럴 가능성은 없었고 따라서 분자의 존재는 다만 많은 문제를 가진 것으로 생각되었습니다. 어쨌든 가스동역학의 추론 결과가 분자나 원자의 크기에 대한 가장 근접한 값을 준다고 전제하고 수소원자 하나의 전하량을 계산하면, 그 값은 정전하 단위로 1.3×10-10에서 6.1×10-10 사이의 값을 갖는다는 결론에 도달합니다. 그러나 톰슨 교수는 아무도 생각하지 못한 교묘한 방법으로 알아내었습니다. 1887년에 리하르트 폰 헬름홀츠는 전하를 띤 작은 입자는 그 주위에 수증기를 응결시키는 특성이 있음을 발견했습니다. 톰슨 교수와 그의 학생인 윌슨은 이 현상을 그들의 연구에 활용했습니다. 그들은 뢴트겐선을 이용하여 공기 중에서 전하를 띤 작은 입자들을 얻을 수 있었습니다. 톰슨 교수는 이 입자들이 단위전하량을 가진다고 가정하였습니다. 그는 공기 중의 전기량을 측정함으로써 주어진 양의 공기 중에 어느 정도의 전하가 존재하는지를 계산하였습니다. 그러고는 수증기로 포화된 공기를 갑자기 팽창시켜 수증기가 전하를 띤 입자에 의해 응결하도록 만들고, 응결된 방울이 가라앉는 속도로부터 그 크기를 계산하였습니다. 이제 응결된 물의 양과 각각의 응결된 방울의 크기를 알게 되었으므로 그는 응결된 방울의 수를 어렵지 않게 계산할 수 있었는데, 그 수가 바로 전하를 띤 작은 입자의 숫자에 해당하는 것입니다. 통 속의 전체 전하량을 이미 측정하였으므로 그는 전하를 띤 작은 입자들이었던 물방울 각각의 전하량, 즉 단위전하량을 구할 수 있었습니다. 그 값은 정전하 단위로 3.4×10-10입니다. 이 값은 가스동역학 분석에서 얻은 값의 평균치에 대단히 근접한 것이었습니다. 이 결과는 서로 다른 두 측정 방법에서 모두 일치하였으며, 이는 단위전하값을 얻기까지 그들이 사용한 추론이 대단히 정확했음을 보여 줍니다. 톰슨 교수가 실제로 원자를 본 것은 아니지만 그는 각각의 원자가 지닌 전하량을 측정함으로써 그에 버금가는 성취를 이루었습니다. 이 관찰을 통해 그는 1기압 0도의 가스 1세제곱센티미터 안에 들어 있는 분자의 수를 계산할 수 있었습니다. 말하자면 물질계에서 가장 근본적인 자연상수를 얻어낸 것입니다. 그 숫자는 40×1018개보다 작지 않은 값입니다. 대단히 독창적인 실험으로 톰슨 교수는 학생들과 함께 전하를 띤 작은 입자들의 질량이나 주어진 힘에 의해 유발되는 속도 같은 매우 중요한 특성들을 결정하였습니다. 전하를 띤 입자를 만들기 위해 뢴트겐선, 베크렐선, 자외선, 바늘 끝의 아크방전, 그리고 백열광 같은 다양한 방법이 사용되었습니다. 이 중 가장 괄목할 만한 것은 낮은 압력의 가스에서 생성된 음극선 내의 전하입자였습니다. 전자로 불리는 이 작은 입자는 많은 과학자들의 오랜 연구 주제였으며, 작년의 노벨 물리학상 수상자인 레나르트 교수와 톰슨 교수는 그 연구의 선두에 서 있습니다. 이들 작은 입자들은 방사능 물질에서 방출되는 베타선에서도 발견되었습니다. 톰슨 교수의 연구결과에 따라 이 입자들이 음의 단위전하를 띤다고 가정하면, 우리는 이 입자가 가장 작은 원자로 알려진 수소원자보다 질량이 약 1,000배나 작다는 결론에 도달하게 됩니다. 한편 톰슨 교수와 빈 그리고 다른 학자들의 계산에 따르면 양으로 대전된 가장 작은 입자는 보통의 원자와 같은 정도의 질량입니다. 지금까지 모든 물질들은 음으로 대전된 전자를 방출할 수 있다는 연구 사실로부터 톰슨 교수는 음전하를 띤 전자만이 실존하며, 양전하를 띤 작은 입자는 중성의 원자가 전하를 띤 전자를 잃었기 때문에 생겼다고 추론하였습니다. 이로써 톰슨 교수는 오직 한 종류의 전기만이 존재한다는 벤저민 프랭클린의 주장(1747년)에 물리적 의미를 부여하였습니다. 톰슨 교수는 실존하는 전기는 오로지 음의 전기라고 하였습니다. 이미 1892년 톰슨 교수는 운동하는 전하를 띤 물체는 전자기에너지를 가져 질량이 커지는 효과가 나타나는 것을 보여 주었습니다. 라듐에서 방출되는 베타선의 속도에 관한 카우프만의 실험으로부터 톰슨 교수는 음전하의 전자들은 실제 질량을 가지는 것이 아니라 전하 때문에 질량을 갖는 것처럼 보일 뿐이라는 결론에 도달하였습니다. 이제는 모든 물질이 음의 전자를 가지고 있다는 가정을 타당하다고 생각합니다. 따라서 모든 물질의 질량은 겉보기에 불과하고 실제로는 전기력에 영향을 받는 값입니다. 톰슨 교수는 이런 맥락에서 매우 흥미로운 실험을 진행했는데, 올해(1906년) 가장 최근의 연구 결과는 물질 질량의 1/1000 정도가 전기력에 기인한다는 것을 보여 주고 있습니다. 톰슨 교수님. 스웨덴 왕립과학원은 올해의 노벨상을 교수님께 수여하기로 결정하였습니다. 교수님이 성취한 일을 보고 있자면 소크라테스에 관한 크세노폰의 유명한 글이 떠오릅니다. 아마 교수님도 젊었을 때 그 글을 숙독하셨을 것입니다. 크세노폰은 소크라테스와의 대화가 지구의 원소에 관한 얘기에 이르면, 소크라테스는 이렇게 말했다고 합니다. "그것에 관해서 우리는 아는 게 없다네." 지금 우리를 포함한 모든 세대가 동의하며, 이 대답에서도 알 수 있는 소크라테스의 명민함이 과연 모든 물질에 관한 최종의 결론으로 계속 남을 수 있을까요? 누가 과연 그렇게 얘기할 수 있을까요? 우리 모두가 잘 알다시피 자연과학의 모든 위대한 시기는 그 자체의 고유한 특징들이 있습니다. 이제 우리는 새로운 특징을 가진 새로운 시대의 시발점에 서 있습니다. 본 과학원을 대표해서 우리 시대의 자연과학자들에게 새로운 방향에서 새로운 탐구를 시작할 수 있도록 이끈 교수님의 연구성과에 축하를 드립니다. 교수님은 조국인 영국의 위대하고 유명한 과학자이며, 과학에서 가장 높고 숭고한 업적을 쌓은 패러데이와 맥스웰의 족적을 뒤따라왔다고 하기에 충분합니다. 스웨덴 왕립과학원 원장 J. P.클라손

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