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노벨상인물

찰스 타운스 Charles H. Townes

찰스 타운스 [이미지]
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MIT (매사추세츠공과대학교)
  • 작성 2017-04-04
  • 조회 0
  • 출생1915-07-28
  • 국적 미국
  • 분야물리학
  • 소속매사추세츠공과대학
  • 출신대학캘리포니아공과대학
  • 주요업적메이저 레이저 원리를 이용한 진동기와 증폭기의 기초를 구축한 양자 전자론 분야의 업적
  • 수상노벨물리학상(1964), 탬플턴상(2005),닐스 보어 국제 골드메달(1979), 미국 발명가 명예의 전당(1976)
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인물정보

미국의 물리학자. 분자물리학·마이크로파 기술에 공헌하였으며, 원자시계의 제작, 암모니아 분자, 자성체를 사용한 미약전류의 증폭과 발진을 위한 새로운 장치인 분자증폭기(MASER) 등을 발명하고, 레이저도 발명하였다.

찰스 타운스박사는 1915년 7월 28일에 미국 캘리포니아 남쪽 그랜빌에서 태어나 2015년 99세의 나이로 별세했다. 어릴적부터 타운스는 매우 영리하고 재능이 많은 학생 이였다. 퍼먼대학교 교양과목에서 수석으로 학사 학위를 받았고 현대 언어 예술과 물리학을 복수 전공했다. 대학교 박물관 큐레이터 활동 뿐만 아니라 수영과 축구동아리로 활동, 대학신문 편집기사로도 활동 할 만큼 다재다능했다.

1936년 듀크대학에서 석사학위를 취득했으며 후에 캘리포니아 기술대학에서 1939년 동위체 분리와 핵스핀연구로 박사학위를 받았다. 그 당시 분자 증폭기는 3년 동안 벨연구소에서 이미 연구했던 장비였고 찰스 타운스는 세계 2차 대전 동안 레이더 시스템 개발에 가담했다. 이를 통해 쌓은 지식으로 캘리포니아 대학에서 분광계법을 계발하는데 일조 했다.

1947년까지 벨전화연구소에 근무한 후 1950년부터 컬럼비아대학교 교수가 되었다. 마이크로파를 사용한 분광학(分光學)에서 분자구조의 연구분야를 개척하여, 분자물리학·마이크로파 기술에 공헌하였다. 또 원자시계의 제작, 암모니아 분자, 자성체(磁性體)를 사용한 미약전류(微弱電流)의 증폭과 발진을 위한 새로운 장치인 분자증폭기(MASER) 등을 발명하였다(1954). 이것은 전파천문학 등 과학에 관련된 넓은 분야에 크게 기여했다.

1960년 레이저를 발명하였으며, 1961년 국방연구소에서의 짧은 재임기간을 마치고 MIT 교수이자 학장을 맡게 되었다. 1964년 메이저·레이저 발명의 업적으로 소련의 N.G.바소프, A.M.프로호로프와 공동으로 노벨물리학상을 수상하였다. 저서로는 《마이크로파 분광학》(숄로와 공저)이 있다.

<공동수상>

니콜라이 겐나디예비치 바소프(Nikolay Gennadiyevich Basov, 1922~)
러시아의 물리학자.
1950년 모스크바 물리공과대학을 졸업하였으며, 1953년 레벤데프 물리학 연구소에서 박사학위를 취득하였다. 1962년 이 연구소의 소장이 되었다. 1952년 프로호로프와 함께 메이저 원리를 내놓아 1959년 레닌상을 받았다.

알렉산드르 미하일로비치 프로호로프(Aleksandr Mikhaylovich Prokhorov, 1916~2002)
러시아의 물리학자.
1939년 레닌그라드 대학교 물리학과를 졸업한 후 레벤데프 물리학 연구소에 들어갔으며 1946년에 수석 조교가 되었다. 1951년 박사학위를 취득하였으며, 이후 모스크바 대학교 교수로 재직하였다. 바소프와 함께 메이저 원리를 제안함으로써 원리의 실질적 적용을 비롯하여 물질과 빛의 상호작용에 대한 규명에 기여하였다.

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시상연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
올해의 노벨 물리학상은 메이저와 레이저의 발명에 대한 업적에 수여하게 되었습니다. 메이저(MASER)는 '방사의 유도방출에 의한 마이크로파 증폭기'(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)를 의미하며 레이저(LASER)는 메이저의 'Microwave'를 'Light'로 바꾼 것입니다.

이들 발명의 열쇠는 1917년에 아인슈타인이 제안한 자발적 발광, 즉 유도방출이라는 개념이었습니다. 아인슈타인은 플랑크의 복사 공식들을 이론적으로 분석하여 빛의 흡수 과정은 반드시 그에 대응하는 과정을 수반해야 한다는 결론에 도달했습니다. 이것은 흡수된 빛이 원자들을 유도하여 같은 종류의 빛을 방출하게 할 수 있다는 것을 의미합니다. 이 과정은 증폭이 가능하다는 것을 뜻하고 있지만 오랫동안 이러한 유도방출은 실제로 구현되거나 관찰되지 못할 이론적 개념에 불과하다고 생각되었습니다. 왜냐하면 일반적인 조건에서는 방사보다 흡수가 훨씬 지배적이기 때문입니다. 증폭은 유도방출이 흡수보다 커야만 일어날 수 있는데, 이것은 여기상태의 원자가 기저상태의 원자보다 많아야만 가능해집니다. 이런 불안정한 에너지 상태를 반전밀도 상태라고 합니다. 메이저나 레이저 발명의 핵심은 이런 반전밀도 상태를 만들어서 유도방출이 증폭에 사용될 수 있는 조건을 만드는 것입니다.

메이저에 대해 10년 전에 발표된 첫 번째 논문들은 뉴욕 컬럼비아 대학교의 타운스 그룹과 모스크바 레베데프 연구소의 바소프와 프로호로프 박사가 독립적으로 수행한 연구 결과였습니다. 그 이후 다양한 형태의 메이저들이 설계되었으며, 많은 사람들의 연구로 개발되었습니다. 현재 메이저에서 가장 널리 사용되는 방법은 금속이온을 함유한 수정을 사용하는 것입니다. 이러한 메이저들을 이용하면 대단히 정교한 단파장 라디오파 수신기를 만들 수 있는데, 이것들은 천체로부터 라디오파 신호를 기록하는 전파천문학에서 매우 중요한 도구로 쓰이고 있습니다.

광학의 메이저, 즉 레이저의 개발은 레베데프 연구소와 타운스 그룹에서 메이저의 원리가 빛에도 적용될 수 있는지에 관해 연구를 시작한 1958년부터 시작되었습니다. 그로부터 2년 뒤 최초의 레이저가 구현되었습니다.

마이크로파에서 가시광선으로 나아간다는 것은 주파수가 10만 배나 증가한다는 것을 의미하는데, 이런 차이 때문에 레이저는 완전히 새로운 발명으로 인식됩니다. 유도방출이 지배적으로 일어날 수 있을 만큼의 높은 방사밀도를 구현하기 위해서는 두 개의 거울을 이용해서 빛을 방사 물질 사이에 가두어 그 물질 사이를 여러 차례 오가도록 만듭니다. 그러면 유도방출이 마치 산사태처럼 일어나면서 모든 원자들이 에너지를 일시에 방사하게 됩니다. 유도방출의 상과 주파수가 동일하다는 특징은 바로 이러한 과정을 거쳐 방출이 일어나기 때문입니다. 이러한 공명에 의해 모든 활성 매개체들이 힘을 합쳐 하나의 강한 파를 방출하는 것입니다. 레이저는 상과 주파수가 동일한 결맞음 광선을 방출하는데, 이 점이 바로 레이저와 일반 광원을 구분하는 결정적인 차이입니다. 후자의 경우에는 원자들이 각자 독립적으로 빛을 내기 때문에 상과 주파수가 일치하지 않습니다.

그 이후로 지금까지 수많은 형태의 레이저들이 발명되었습니다. 최초의 레이저는 방사 물질로 루비 막대를 이용하는 루비 레이저인데, 지금도 가장 널리 사용되고 있습니다. 이 레이저는 수 센티미터 길이의 루비 막대 양끝을 연마하고 은으로 도금하여 거울로 사용하는데, 방사된 빛이 막대 밖으로 나갈 수 있도록 한 면은 반투과성의 거울로 만듭니다. 루비는 적은 양의 크롬을 함유한 산화알루미늄 결정입니다. 루비가 붉은색을 띠는 것은 포함된 크롬이온들 때문인데, 이 크롬이온이 레이저를 구현하는 중요한 역할을 합니다. 루비 레이저에서는 반전밀도 상태를 만들기 위해 크세논램프의 빛을 사용합니다. 이 크세논램프의 빛을 크롬이온이 흡수하여 정해진 주파수의 붉은 빛을 방출할 수 있도록 여기되는 것입니다.

보통은 램프에서 섬광이 번쩍일 때 레이저광의 연속적인 펄스가 방출됩니다. 그러나 에너지가 최대에 도달하도록 레이저광의 방출을 억제하면 모든 에너지가 하나의 큰 펄스로 방출됩니다. 이 조건에서 방출되는 레이저는 수억 와트 이상이 되기도 합니다. 또한 방출되는 빛의 다발들이 매우 평행하기 때문에 렌즈를 이용해서 전체 에너지를 작은 면적에 집중시킬 수가 있어서 어마어마한 에너지를 얻을 수 있습니다. 기초과학의 관점에서는 이렇게 만들어지는 수억 volt/cm에 달하는 전기장이 원자들의 전자껍질을 한데 묶어 주는 힘보다 크다는 점에서 특히 관심을 가지고 있습니다. 이런 높은 강도의 빛은 물질과 빛 간의 상호작용에 관한 연구에 새로운 가능성을 열었습니다.

전기방전으로 여기된 가스로부터 방출되는 또 다른 형태의 레이저는 특정 파장의 연속광을 만들어 줍니다. 이런 레이저를 이용하면 전에는 얻을 수 없었던 정확도로 거리와 속도를 측정할 수 있습니다.

레이저는 여러 분야에서 새롭고 강력한 도구로 등장했으며, 그 본격적인 활용은 이제 시작 단계에 불과합니다. 그 기술적 응용 잠재력은 널리 보도되어 대중에게도 잘 알려져 있습니다. 특히 높은 밀도의 강력한 레이저 빛이 매우 짧은 시간에 극히 작은 영역 내에서 구현된다는 점은 레이저의 중요성이 마이크로 영역에서의 활용에 있음을 의미합니다. 마지막으로 저는 먼 거리를 공격하여 파괴하기 위한 목적으로 레이저가 사용된다는 것은 전혀 현실성이 없음을 강조하고 싶습니다. '죽음의 빛'은 신화에 불과하며 앞으로도 신화로 남아 있을 것입니다.

타운스 박사님, 바소프 박사님, 그리고 프로호로프 박사님.
박사님들은 물질과 빛의 상호작용에 대한 탁월한 기초 연구로 매우 새롭고 놀라운 원자들의 작용을 보여 주었습니다. 메이저와 레이저라고 불리는 신기한 장치들을 통해 과학과 기술 분야에 크고 새로운 장이 열렸습니다. 지금 전 세계의 많은 실험실에서 이런 높은 강도의 빛을 이용한 연구 개발이 진행되고 있습니다.

스웨덴 왕립과학원을 대표하여 여러분들께 따뜻한 축하의 말씀을 전합니다. 이제 나오셔서 전하로부터 노벨상을 수상하시기 바랍니다.

-노벨 물리학위원회 B. 에들렌

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자료출처
[네이버 지식백과] 메이저 레이저 원리를 이용한 진동기와 증폭기의 기초를 구축한 양자 전자론 분야의 업적 (당신에게 노벨상을 수여합니다. | 노벨 물리학상, 2010. 1. 18., 바다출판사), 네이버 지식백과, Nobelprize.com

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