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노벨상인물

찰스 토슨 리스 윌슨 Charles Thomson Rees Wilson

찰스 토슨 리스 윌슨 [이미지]
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Cavendish Laboratory (캐번디시 연구소)
  • 작성 2015-09-16
  • 조회 7,874
  • 출생1869-02-14 영국 스코틀랜드 글렌코스
  • 국적 영국
  • 분야물리학
  • 소속캐번디시 연구소
  • 출신대학케임브리지 대학교, 맨체스터 대학교
  • 주요업적콤프턴 효과의 발견, 윌슨상자의 개발
  • 수상노벨 물리학상(1927)
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인물정보

찰스 톰슨 리스 윌슨은 1869년 스코틀랜드 에든버러 근교의 작은 마을에서 태어났다. 그의 아버지는 농장에서 양을 키우셨고 윌슨이 4살이 되던 해에 돌아가셨다. 그의 어머니는 가족들을 데리고 맨체스터로 거처를 옮겨 큰외삼촌의 도움을 받으며 살아간다. 그리고 그곳은 그가 첫 교육을 받은 곳 이였으며, 지금은 맨체스터 대학인 오웬 대학에 입학한다. 대학에서 그는 생물학을 전공하여 딱정벌레를 연구하였으며 의사가 되기를 꿈꾸었다. 크리스트 대학(Christ College)의 장학금을 받지 못했지만, 케임브리지 시드니 서색스 대학(Sidney Sussex College)에서 장학금을 받아 입학하게 된다. 그곳에서 본격적으로 물리학과 화학에 관심을 갖게 되었다. 의학을 포기한 윌슨의 결정은 오웬 대학의 물리학 교수였던 벨퓨어 스튜어트(Balfour Stewart)의 영향이 컸다. 캐임브리지에서 그는 물리학에 관심을 갖되었고, 화학과 물리학을 연구할 수 있는 기회를 얻을 수 있었다.

1894년 스코틀랜드의 고산지대의 관측소 벤네비스 산(Ben Nevis)에서 구름 형성에 관해 연구하였고 구름을 통과하여 빛나는 태양 주위에 형성되는 원형의 코로나를 관측하였다. 이러한 현상에 흥미를 갖게 된 그는 시드니 서섹스(Sussex)로 돌아가 먼지 중에 수증기를 뿌려 코로나 생성을 다시 시도했다. 공기가 퍼져나감에 따라 온도가 떨어지고 이슬점에 다다랐을 때 공기가 응집되었다. 윌슨은 수증기의 작은 방울이 공기 중에서 형성되는 것을 알아차렸고 이것은 이온의 핵이 응축된 물에의해 생겨난 것인지 의구심이 들었다. 이러한 추측은 윌슨의 클라우드 챔버가 새로 개발된 x-ray에 노출 되었을 때 입증되었다. 물방울이 x-ray에 노출된 후 엄청나게 커지는 현상이 공기가 x-ray로 인해 전도되는 것을 동시에 관찰할 수 있었고 그리고 그것은 대기 중에 이온을 만들었다.

이것이 핵입자의 이온화 경로를 사진으로 기록할 수 있게 하는 장치인 안개상자의 탄생 과정이다. 핵입자가 공기 중에 떠다닐 때 공기 중의 분자와 충돌하여 이온을 만들어 낸다. 안개상자에 응집된 수증기 때문에 이러한 이온은 안개상자에서 관측된다. 안개상자는 많은 핵 현상을 기록하는데 사용되어져 왔다. 윌슨은 그의 안개상자를 사용하였고 1911년 알파와 베타 입자와 전자의 경로를 기록하고 관찰한 첫 번째 인물이다.

안개상자를 발견한 공로로 윌슨은 아서 컴턴(Arthur Compton)과 함께 노벨 물리학상을 수상하였다. 1900년에 왕립협회에 선출되어 1935년 코플리 메달을 비롯하여 1929년에는 프랭클린 메달을 수상하였다. 은퇴 후 윌슨은 에든버러로 거처를 옮겼다. 그 후 80이 되던 해 그가 태어난 칼롭(Carlops)마을로 이사하였다. 그 후 윌슨의 동료와 친구들과 사회적 교류를 유지했으며 버스로 도시에 나가 점심을 즐기기도 하였다. 과학적으로 역시 마지막 까지 활발한 연구를 멈추지 않았다. 오랜 시간을 거처 뇌우 전기 이론에 관한 논문을 마쳤다. 1908년 결혼하여 슬하에 두 아들과 두 딸을 낳았고 1959년 11월 15일 가족들의 품에서 잠들었다.

<공동수상>

아서 컴튼(Arthur Holly compton)
오하이오주 우스터 출생. 우스터대학교를 졸업하고, 1916년 프린스턴대학교에서 학위를 받았다. 프린스턴대학교 시절에는 지구의 회전을 나타내는 독특한 방법을 창안하기도 하였으며 그 후 X선 연구로 옮겼다. 결정(結晶)에 의한 X선의 반사 세기를 계산하여 원자구조를 조사하였으며, X선 산란(散亂)에 관한 ‘컴튼효과’를 발견하여, 복사(輻射)의 입자성(粒子性)을 시사하는 실험 사실을 제시하였다. 이 효과의 발견으로, 이것의 이론을 실증한 C.T.R.윌슨과 함께 1927년 노벨물리학상을 수상하였다. 이 밖에 X선의 전반사(全反射)와 편차, 회절발[回折格子]에 의한 스펙트럼 연구도 있다.
우주선(宇宙線)의 지리적 변화를 전세계적으로 조사하여(1930∼1940), 위도(緯度) 효과가 지구 자기장(磁氣場)과 관련 있음을 결론지었다. 1941년 이후 원자력 이용에 관한 국가위원회 의장이 되어, E.페르미, E.P.위그너 등과 함께 우라늄 핵분열로(核分裂爐) 건설을 추진, 플루토늄로를 완성하였다. 이것이 일본 나가사키[長崎]에 투하된 원자폭탄의 재료가 되었으며, 원자폭탄 투하의 정부 결정에 중요한 역할을 하였다.

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시상연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.

스웨덴 왕립과학원은 이른바 콤프턴 효과를 발견한 시카고 대학교의 아서 홀리 콤프턴 교수와 전기적으로 대전된 입자의 경로를 눈에 보이도록 만드는 확장법을 발견한 케임브리지 대학교의 찰스 톰슨 리즈 윌슨 교수를 올해의 노벨 물리학상 수상자로 선정하였습니다.

콤프턴 교수는 엑스선 복사 연구로 노벨상을 수상하였습니다. 뢴트겐이 엑스선을 발견한 직후, 엑스선에 노출된 물질은 다른 특성을 가진 2차 복사를 방출한다는 것이 알려졌습니다. 전자의 방출 외에 복사의 광학적 영역에서도 광전효과에 해당하는 2차 복사가 일어납니다. 엑스선 분광학이라는 방법이 알려지기 전 2차 엑스선의 흡수는 이중의 성질을 가진다는 것이 증명되었습니다. 기초적인 연구를 통해서 2차 엑스선 복사가 한편으로는 원래의 엑스선과 동일한 침투력을 지닌 산란된 엑스선, 그리고 엑스선을 쉽게 흡수하는 원소가 방출하는 특성엑스선으로 되어 있다는 것을 밝힌 사람은 바클라였습니다.

엑스선이 작은 원자량을 가진 물체에 조사될 때, 예를 들면 흑연에서, 바클라는 위에서 언급된 특성엑스선 복사를 탐지하지는 못했고 단지 산란만을 발견했습니다. 그리고 2차 복사는 원래의 엑스선과 동일한 성질을 가진다고 결론 내렸습니다. 그러나 흡수를 계속 연구한 후 그는 흑연에서 2차 엑스선은 적어도 부분적으로는 원래의 복사보다 더 쉽게 흡수되고 따라서 더 큰 파장을 가진 복사가 존재한다는 것을 보여 주었습니다. 바클라는 이것을 새로운 특성엑스선 복사라고 생각했습니다.

바로 이 지점이 콤프턴 교수가 참여하여 과학 발전에 영향을 미친 곳입니다. 그는 작은 원자량을 지닌 물질로부터 2차 복사를 분광측정 방식으로 정확하게 분석하였습니다. 다시 말해서 그는 산란 엑스선 복사를 정확하게 관찰하는 임무를 맡았습니다. 약간의 예비 연구 후 그는 놀라울 정도로 정확한 결과를 얻을 수 있는 실험방법을 개발하였습니다.

균질한 엑스선, 즉 광학적으로 동일한 파장으로 이루어진, 다시 말해 오직 하나의 분광선만을 방출하는 광원을 입사시켜 두 개의 선으로 이루어진 산란복사를 발견했는데, 하나는 원래의 빛과 정확히 동일한 것이고 다른 것은 약간 더 긴 파장을 지닌 선이라는 것을 발견하였습니다. 이것이 콤프턴 효과에 대한 최초의 명백한 증거였습니다. 초기에 콤프턴 효과의 실체에 대해 약간의 논쟁이 있었지만 나중에는 확고한 현상으로 자리 잡았습니다.

산란복사에서 발견되는 파장의 변화는 입사되는 빛과 산란되는 빛 사이의 각도에 따라 변하지만 산란에 사용된 물질과는 무관하다는 것이 증명되었습니다. 그리하여 이 현상은 이제까지 알려진 것과 동일한 성질을 가진 새로운 특성복사가 아니라는 것이 증명되었습니다. 콤프턴은 입자를 제안하였는데 이 입자 가설을 사용하면 모든 실험 결과들을 실험 오차한도 내에서 정확하게 예측할 수 있었습니다.

콤프턴 교수의 이론에 따르면 전자 하나가 정확히 하나의 광양자를 정확한 방향으로 다시 방출시키고 이 전자는 입사된 복사에서 나온 전자와 예각을 이루는 방향으로 튀어 나갑니다. 수학적인 관점에서 파장의 증가는 입사파의 파장과는 무관하고 입사와 산란된 복사 사이의 각이 0도에서 180도 사이에 있을 때 빛의 속도를 기준으로 0퍼센트에서 80퍼센트로 전자의 속도가 변합니다.

이 이론은 위에서 언급된 전자의 속도보다 일반적으로 훨씬 작은 속도를 가진 튀어 나오는 전자를 예견하고 있고, 이것은 광전효과에 해당합니다. 이렇게 튀어나온 전자를 윌슨과 다른 연구자들의 실험으로 확인한 것은 두 그룹 모두에게 승리를 안겨주었습니다. 이렇게 해서 콤프턴 효과가 가진 두 번째 주요한 현상이 실험적으로 검증되었고 모든 관찰들은 콤프턴이 그의 이론에서 예측했던 것과 일치한다는 것이 증명되었습니다.

다른 연구자들에 의한 개선과 보완과는 별개로 콤프턴은 최근 원자이론에서 일어난 혁명의 도움을 받아 초기에 사용했던 입자설을 폐기했습니다. 새로운 파동역학은 그 논리적 귀결로써 콤프턴 이론의 수학적 기초가 되었습니다. 이리하여 콤프턴 효과는 복사 분야에서 다른 분야들과 연결고리를 만들 수 있게 되었습니다. 콤프턴 교수가 제안한 이론은 이제 너무나 중요해졌기 때문에 앞으로는 이 효과를 설명하지 못하거나 이 효과의 발견자가 확립했던 법칙들을 따르지 않는 원자이론은 수용될 수 없습니다.

마지막으로 콤프턴 효과는 짧은 파장을 가진 전자기파, 특히 방사선 복사의 흡수와 새롭게 발견되는 우주선의 흡수에 결정적으로 중요한 역할을 한다는 것이 증명되었습니다.

콤프턴 교수님.
콤프턴 효과로 알려진 현상을 발견한 교수님의 공로는 너무나 중요하다는 것이 입증되었으므로 스웨덴 왕립과학원은 교수님을 노벨상 수상자로 선정하였습니다. 이 상을 전하로부터 받으시기 바랍니다.

윌슨 교수는 1911년 순수한 실험적인 방법으로 이루어진 그의 발견에 대한 공로를 인정받아 노벨상을 수상했습니다. 윌슨 교수의 연구는 수분이 충만한 기체가 갑자기 팽창할 때 구름이 형성되는 현상에 기초합니다. 기체가 팽창하면 기체의 온도는 떨어져 이슬점 이하가 되면 기체 안에 있던 수증기는 작은 물방울들로 응축되고 작은 물방울들이 합쳐져 눈에 보이는 구름을 형성합니다. 응축의 초기 단계에서 물방울은 항상 응축핵의 주위에 형성됩니다. 전기적으로 대전된 입자가 물방울을 형성하는 응축핵으로 작용한다는 사실은 입자복사가 발견되기 오래전 헬름홀츠가 수증기의 흐름이 전기를 가진 물체 근처에서 불투명해진다는 것을 발견했을 때부터 알려진 사실입니다.

전기는 이온화된 기체를 통해서 전도되는데, 이온화는 엑스선 혹은 방사선 물질에 의해 형성된다는, 즉 기체가 이온화된다는 사실이 알려지게 된 이후 전기를 띤 입자 주변에 물방울들이 생겨나는 현상을 눈으로 추적할 수 있는 길이 열렸습니다. 방사성 물질에 의해 방출된 알파입자와 베타입자들은 기체를 이온화시키고 이 궤적은 물방울의 형성으로 알 수 있습니다. 물방울의 궤적을 찍으면 이온화되는 입자들의 궤적을 눈으로 볼 수 있습니다.

엑스선이 야기하는 이온화의 성질과 그 상세한 과정을 설명하자면 문제는 조금 더 복잡해지는데 1923년 논문에서 이 문제를 완전히 설명할 수 있었습니다. 이 연구를 위해서는 시간 간격을 매우 정확하게 결정해야 합니다. 윌슨 교수는 주기 조절이 가능한 세 개의 진자를 사용했습니다. 처음 내려오는 진자는 진공장비와 통신을 시작합니다. 그 결과 기계적인 방법으로 흡입이 시작되어 기체는 갑자기 팽창하게 됩니다. 두 번째 진자는 전기 스파크를 만들어 내고 전기 스파크는 엑스선 관을 통과합니다. 이때 진동하는 스파크는 배제합니다. 이렇게 해서 음극은 아주 짧은 시간에 입체 카메라의 렌즈 앞으로 엑스선을 방출합니다. 세 번째 진자는 다른 전기 스파크를 방출하는데 이것은 수은 증기를 통과해 순간적으로 구름에 빛을 비춥니다. 보통의 메트로놈처럼 진자에 가해지는 무게를 변화시켜 팽창이 끝나는 순간 기체를 통해 엑스선을 보낼 수 있었고 빛을 비추는 스파크는 이온 주위에 물방울이 충분히 달라붙을 때까지 충분히 긴 시간 동안 빛을 비추어 줄 수 있었습니다. 이때 물방울이 기체의 흐름에 의해 이동될 만큼 긴 시간 동안 비춘다면 인쇄된 사진에 보이는 그림의 이미지가 변형되기 때문에 짧은 시간만 빛을 비춰야 합니다.

윌슨 교수의 생각은 우아하고 인기있는 증명 방법으로 주목받았습니다. 엑스선 입자가 형성하는 물방울은 밀도가 매우 높아 생성되는 구름 사진에는 끊어지지 않는 하얀선들이 보입니다. 그리고 기쁘게도 이 선들에서 이미 알고 있는 입자들이 급격하게 방향을 바꿀 때 나타나는 예리한 굴곡들도 관찰이 가능합니다. 베타선을 입사시키는 경우에는 고립된 방울들이 관찰되는데 이 궤적들은 초기 속도의 차이에 따라 여러 다른 유형들이 나타납니다. 비교적 느린 속도를 가진 선들을 연구할 때 가장 적당한 방법은 위에서 설명한 것과 같은 순간적인 엑스선 복사를 사용하는 것입니다. 여기에는 많은 물질에 대한 사진이 수집되었는데 아직 모든 결론이 내려진 것은 아니며 윌슨 교수는 여전히 열정적인 연구를 수행하고 있습니다.

최근에는 다른 방법으로는 얻을 수 없었던 새롭고 중요한 결과들을 얻었습니다. 이 성과는 비록 오래 전에 만들어졌지만 노벨상 수여에 대한 조건을 충족하였습니다. 이 자리에서는 이러한 결과들에 대해 설명하지 않겠습니다. 왜냐하면 최근의 결과를 이해하려면 원자 구조에 대한 많은 지식이 필요하기 때문입니다. 단지 산란된 엑스선 파장의 변화를 설명했던, 다시 튀어나오는 전자궤적에 대한 콤프턴의 이론을 1923년 윌슨 교수가 실험적으로 증명했으며, 전자궤적을 자세히 관찰할 수 있는 수단을 마련했다는 점을 기억하시기 바랍니다.

윌슨 교수님.
비록 당신께서 우아한 팽창법을 발견한 후로 오랜 시간이 지났지만 교수님의 열정적인 연구와 다른 연구자들의 결과로 볼 때 교수님의 발견이 가지는 가치는 계속 높아져 왔습니다. 과학원의 노벨상 수상 규칙에 따르면 오랜 시간이 지났더라도 그 연구 결과가 가치를 더하는 경우 상을 수여할 수 있습니다. 이제 전하로부터 노벨상을 받으시기 바랍니다.

왕립과학원을 대표하여 찬사와 함께 따뜻한 축하를 보냅니다. 이제 스웨덴 국왕 전하로부터 노벨상을 수상하시기 바랍니다.

- 스웨덴 왕립과학원 스티그 룬드크비스트

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자료출처
www.phy.cam.ac.uk/cavendish, wikipedia, naver, Nobelprize.org

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