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TAG: MPI (막스플랑크연구소)

작성 2014-09-05
조회 2,779

출생1879-10-09 독일, 베를린
국적 독일
분야물리학
소속막스플랑크물리화학연구소 소장
출신대학뮌헨 대학교
주요업적결정에 의한 엑스선 회절의 발견
수상노벨 물리학상 (1914)

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인물정보

독일의 물리학자. 결정에 의한 X선회절의 연구로 X선의 전자기파로서의 성질을 확립하고 결정해석학을 개척하였다. 또 초전도현상을 해소하는 데 필요한 자기장의 한계값이 물체의 형태와 함께 변하는 것을 설명했다.

1879년 독일 코블렌츠 근처의 파펜도르프에서 태어나 1899년부터 슈트라스부르크, 괴팅겐, 베를린 등의 여러 대학을 졸업했다. 1902년에는 뮌헨대학교에서 막스 플랑크의 지도 아래 공부하고, 그로부터 일년 뒤 박사학위를 취득하였다. 1905년부터 베를린에 있는 막스플랑크 물리화학연구소 소장이 되었다. 그는 나치정권의 반대자로 알려져 있으며, 나치스 정권하에서는 망명한 과학자들을 적극 원조하였고 40년 동안 독일 과학 발전의 큰 성과를 이루었다. 2차 세계대전 이후 독일 물리학계 부활을 위해 많은 노력을 기울였다.

1911년까지 X선이 전자기파인지 입자인지는 밝혀지지 않았는데, 라우에는 좀머펠트 연구소의 조교 발터 프리드리히, 박사과정을 하던 파울 크니핑과 함께 X선 회선 실험을 하여 X선은 짧은 파장을 지닌 전자기파이며, X선이 결정 격자를 통과할 때 회절과 맞반응하여 사진에 반점이 생기는 것을 발견하였다.

1912년에는 취리히대학교의 물리학과 교수가 되었으며 그 해에 최초로 결정을 사용해 X선을 회절시키는 데 성공했다. 이 실험으로 X선이 빛과 비슷한 전자기 복사임을 증명했고, 그는 아인슈타인의 상대성이론을 옹호했는데, 아인슈타인은 라우에의 연구 또한 물리학에서 가장 아름다운 발견 가운데 하나라고 언급하였다. 또한 양자이론, 콤프턴 효과, 원자의 붕괴등을 연구했다.

1914년 결정격자에서 X선 회절 연구로 결정구조를 밝힘으로써 현대 전자공학의 발전에 중요한 위치를 갖는 고체물리학의 기원이 되었다. 1919년엔 베를린대학의 연구소 소장이 되었고, 1951년에는 베를린의 막스플랑크연구회의 소장이 되었다. 1932년에 연구한 초전도 현상의 해소에 필요한 자기장의 한계값이나 1934년에 저서한 식물의 생활형과 통계적 식물지리학이 알려져 오고 있다. 윌리엄 로렌스 브래그와 윌리엄 헨리 브래그의 X선 결정과 모리스 드브로이의 X선 분광학과 헬리 모즈리의 주기욜표에 영향을 주었다. 이 연구로 노벨 물리학상을 1914년에 수상했다. 제2차 세계대전 후에는 독일 물리학회의 재건에 활약하였다. 말년에는 X선 흡수, X선 분광학에 관한 많은 논문을 썼다.

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시상연설

물리학에서 뢴트겐의 발견처럼 집중적으로 연구된 분야는 없을 것입니다. 1896년 뢴트겐은 알려지지 않은 새로운 형태의 광선이 존재한다는 것을 증명했으며, 그 괄목할 만한 특성으로 순수물리학뿐 아니라 다른 여러 분야에서도 가장 중요한 위치를 차지하였습니다.

엑스선 발견 이후 그 본질적 특성을 밝히려는 수많은 시험과 연구들 덕분에 10년이 되지 않아 그 특성이 모두 밝혀졌습니다.

이미 초기 연구에서 어떤 강력한 자장으로도 진행 방향이 바뀌지 않으며, 한 매질에서 다른 매질로 통과할 때 굴절이 생기지 않는다는 것이 밝혀졌습니다. 따라서 엑스선이 어떤 입자의 빔이라면 다른 입자들의 빔과는 달리 입자들이 전하를 띠지 않는다는 것을 의미합니다. 만약 전하를 띠지 않는 입자가 있을 수 없다고 한다면 엑스선의 특징을 결정하는 그 입자들은 반대 부호의 두 전하를 가지고 있어서 서로 상쇄된다고 가정해야 합니다. 한편 엑스선은 굴절하지 않는다는 사실로부터 엑스선이 빛의 파동처럼 횡파의 거동을 한다면 그 파장이 대단히 짧다는 가정을 할 수 있습니다. 왜냐하면 빛의 전파이론에 의하면 파장이 매우 짧아지면 굴절률은 1에 접근하기 때문입니다.

엑스선이 에테르 내에서 종파의 특성으로 움직인다는 초기의 가설은 곧 배제되었고, 엑스선의 본질에 관한 의견은 위의 두 가지로 나누어졌습니다. 그럼에도 일종의 알 수 없는 특성을 가진 펄스라는 것이 객관적으로 가능한 설명이었습니다.

1896년 스토크스와 비헤르트는 엑스선이 음극선, 즉 고속의 전자가 어떤 물질과 충돌할 때 에테르에 발생하는 왜곡이라는 가설을 내놓았습니다. 이 왜곡 혹은 충격파는 전자 주위의 에테르로부터 모든 방향으로 빛의 속도를 가지고 전파된다고 생각했습니다. 모든 공간에서 이 왜곡은 전자가 충돌한 시간과 동일한 시간 동안 유지됩니다. 이 시간과 빛의 속도의 곱은 충격파의 폭을 나타내며 엑스선의 특성이 빛과 같다면 이 값은 파장에 해당됩니다.

그 이론에 의하면 엑스선을 일으키는 음극선에 대해 수직으로 발생하는 엑스선 충격파는 완전한 편광 상태입니다. 이런 편광은 1905년 바클라가 관찰하였지만, 이론과는 달리 완전편광이 아니라 부분편광 상태였습니다. 이런 차이의 원인에 대해서는 설명이 가능하지만 횡파의 존재에 대한 증거로 편광의 특성은 적절치 않다는 것이 밝혀졌습니다.

1897년 도른은 엑스선으로 변환되는 전자의 에너지를 계산해 냈습니다. 그러자 빈은 자신의 방법으로 충격파의 폭을 계산했는데 그 값은 약 10-10센티미터로 빛의 가장 짧은 파장의 10만분의 1에 해당하는 것이었습니다. 지금까지 엑스선을 이용한 회절 실험이 모두 실패한 원인은 이렇게 충격파의 폭 혹은 파장이 짧았기 때문이었습니다. 가장 좁은 슬릿을 사용한다고 해도 이렇게 짧은 파장의 엑스선이 만드는 회절은 관찰의 한계를 벗어납니다. 발터와 폴이 진행한 가장 정교한 실험의 결과마저도 단지 회절의 가능성이 있다는 정도를 얘기해 줄 뿐이었습니다. 이 과학자들의 연구로부터 엑스선 파장의 상한은 4×10-9센티미터 정도로 보였습니다.

이것이 폰 라우에 교수가 획기적으로 엑스선의 간섭 현상을 발견하고 엑스선이 빛의 경우처럼 진행하는 횡파로 되어 있음을 증명함으로써 과학의 가장 중요한 위치에 서게 되었을 때의 상황입니다.

앞서 말씀드린 바와 같이 선행의 연구결과는 엑스선이 파동운동을 한다면 그 파장은 10-9센티미터 대에 있어야 합니다. 따라서 빛이 회절격자를 통과할 때 발생하는 것과 똑같은 분명한 간섭현상을 엑스선에서 얻기 위해서는 회절격자의 격자 간격이 10-8센티미터 정도여야 합니다. 이것은 고체 내의 분자 간 간격과 거의 같습니다. 폰 라우에 교수는 이러한 점에 착안해서 회절격자로 분자들이 규칙적으로 배열되어 있는 고체, 즉 결정체를 사용했습니다. 이미 1850년 결정학 분야에서 브라바이스는 결정체를 구성하는 원자들은 어떤 규칙적인 배열을 하고 있다는 가정을 제안했습니다. 그것은 이른바 3차원 격자 혹은 공간격자로 그 격자상수들은 결정학 자료로부터 계산할 수 있습니다.

그러나 공간격자의 이론적 근거는 알려져 있지 않아서 폰 라우에 교수는 우선 그 이론을 개발해야 했습니다. 그 방법은 1차원 격자에 적용되는 광학에서와 같은 근사식을 이용한 것이었습니다.

폰 라우에 교수는 프리드리히와 크니핑에게 실험을 맡겼습니다. 그들은 납 상자 내에 정교하게 위치한 결정체로 가느다란 엑스선이 도달하도록 하고, 결정체의 뒤와 옆에는 감지필름을 설치했습니다. 예비실험에서 벌써 폰 라우에 교수가 예측한 대로 결정체 뒤에 있는 필름에서 검은 점 형태로 강도의 최대점들이 나타났습니다.

이 강도의 최대점들의 모양이 다양한 결정체에서의 이론적 예측과 일치하고, 그것들이 아주 명확하게 나타남으로써 이 현상이 회절 현상임을 확실하게 알 수 있었습니다. 또한 흡수실험으로 이들 회절점은 정말로 엑스선으로 만들어졌음을 확인하였습니다. 이로부터 폰 라우에 교수는 조사된 결정체로부터 회절점을 만드는 엑스선이 파동의 특성을 가진다고 추론했습니다. 왜냐하면 엑스선이 입자라면 결맞음 진동(coherent oscillation)은 동일한 입자처럼 행동하는 원자들에 의해서만 일어날 수 있으며 이들 원자들은 조사방향으로 늘어선 원자군을 형성해야 하기 때문입니다. 이런 결맞음 진동은 실험에서 관찰된 것과는 달리 강도의 최대점이 불규칙적인 동심원을 이룹니다.

폰 라우에 교수가 발견한 결정체에서의 엑스선 회절 현상은 엑스선이 매우 짧은 파장이라는 증거이며, 또한 결정학 분야에서 매우 중요한 발견들이었습니다. 이제는 결정체 내에서 원자의 위치를 결정할 수 있게 되었으며 여기에서 많은 중요한 지식을 얻게 되었습니다. 앞으로도 이 분야에서 많은 발견이 기대됩니다. 예를 들어 회절에 미치는 온도의 영향을 실험적으로 연구하면 영점에너지에 대한 의문이 해결되거나 최소한 해답을 찾는 데 도움이 될 것입니다. 왜냐하면 영점에너지의 유무에 따라 온도의 영향이 다르게 나타나기 때문입니다. 그렇지만 회절의 발견이 가지는 직접적인 결과 역시 그 중요성이 작지 않습니다. 이제는 엑스선 스펙트럼을 직접 조사할 수 있게 되었으며, 선 스펙트럼의 사진을 얻을 수 있게 되었습니다. 과학은 매우 유용한 연구방법을 갖게 되었으며 그 방법이 가져올 성과를 모두 예측해 내는 것은 아직 불가능합니다.

발견이 인간에게 기여한 정도에 따라 인류의 발견을 평가하는 것이 가능하다면 폰 라우에 교수의 발견에 버금가는 것은 그리 많지 않을 것입니다. 또한 결정에 의한 엑스선 회절을 발견한 폰 라우에 교수의 결과가 출판된 지는 몇 년 되지 않았습니다만, 왕립과학원이 노벨 물리학상을 결정하는 데 1914년 폰 라우에 교수처럼 쉽게 의견의 일치를 본 경우는 드물다는 점을 말씀드립니다.

스웨덴 왕립과학원 노벨 물리학위원회 위원장 G. 그란크비스트

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