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미국의 물리학자. 1927년 니켈 결정면을 이용한 전자선의 회절을 발견하고 ‘전자의 파동성'을 실증하였다. 전자광학의 이론 및 공업적 응용을 연구하여 저속전자의 산란문제, 금속면에서의 반사 등을 다루었으며, 또한 일렉트로닉스와 결정물리학에도 공헌한 바 크다.

데이비슨 일리노이주 블루밍턴에서 태어났다. 1902년 블루밍턴 고등학교를 졸업했고 시카고 대학에 장학생으로 입학했다. 1905년 물리학자 로버트 밀리컨(Robert Millikan)의 추천을 받아 프리스턴 대학 전임강사로 일할 수 있었고 강의를 하면서 1908년 시카고 대학으로 부터 학사 학위를 받았고, 동시에 영국의 물리학자 오언 리처드슨(Owen Richardson)과 박사논문 연구를 하여 1911년 프리스턴 대학에서 물리학 박사 학위를 받았다. 프리스턴 대학에서 졸업연구를 할 때 데이비슨은 그의 아내이자 평생의 동반자인 샬롯 리자드슨을 만는데 그녀는 리처드슨(Richardson)교수의 여동생이자 미국의 저명한 수학자 오즈월드 베블런(Oswald Veblen)의 형수였다.

데이비슨은 카네기 공과대학의 조교수로 일하다 1017년 전쟁 관련 연구를 위해 카네기 공과대학을 떠나 지금은 벨 연구소인 전기회사 기술부로 자리를 옮겼다. 전쟁이 끝나갈 무렵 데이비슨은 그의 기초연구를 할 수 있는 자유를 보장받는 다는 조건하에 웨스턴 일렉트릭에 정규직으로 자리를 받아들였다. 카네기 공대에서 가르치던 일은 연구에 집중을 할 수 없었기 때문이다. 미국의 물리학자인 L.H.거머 등과 함께 전자선(電子線) 연구를 시작하여, 1927년 니켈 결정면을 이용한 전자선의？회절(回折)을 발견하고 ‘전자의 파동성(波動性)’을 실증하였다.

전자광학(電子光學)의 이론 및 공업적 응용을 연구, 저속전자(低速電子)의？산란문제(散亂問題), 금속면에서의 반사 등을 다루었으며, 또한 일렉트로닉스와 결정(結晶)물리학에도 공헌한 바 크다. 이 공로로 1937년 G.P.톰슨과 함께 노벨물리학상을 받았다. 그 후에도 1946년까지 웨스턴 일렉트릭에서 근무했고, 그 후 버지니아 대학의 연구교수직으로 들어가 1954년 은퇴를 하였다.

클린턴과 샬롯 데이비슨은 슬하에 4명의 아이를 두었는데 미국 물리학자 리차드 데이비슨(Richard Davisson)이 그 중 하나이다. 데이비슨은 1958년 2월 76세의 나이로 세상을 떠났다.

<공동수상>

조지 패짓 톰슨(George Paget Thomson, 1892~1975)
영국의 물리학자.
제1차 세계대전 후 케임브리지 대학교의 캐번디시 연구소에서 연구하였으며, 1922년에 애버딘 대학교의 자연철학교수로 임명되었다. 1930년부터 20여년간 런던에 있는 임피리얼 칼리지의 물리학 교수로 재직하였으며 1943년에 기사 작위를 받았다. 1952년 케임브리지 대학교 코퍼스 크리스티 칼리지 학장이 되었다.

결정에 의한 전자의 회절

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
1937년의 노벨 물리학상은, 결정이 전자빔에 노출되었을 때 나타나는 간섭현상을 발견한 공로로 클린턴 데이비슨 박사와 조지 톰슨 교수에게 수여됩니다.

결정표면에 입사되는 전자빔의 산란과 회절 현상에 대한 연구는 1922년에 데이비슨 박사와 그의 동료 쿤스만이 시작하였습니다. 이 연구와 이듬해 노벨상 수상자인 드 브로이가 발표한 물질파 이론을 결합하여 물질의 실체에 대한 새로운 생각을 제안할 수 있었습니다. 물질파 이론에 따르면 물질입자들은 항상 움직이는 파동인 '파속'과 결합되어 물질을 구성하며 물질의 움직임을 결정합니다. 만일 우주가 다른 속도로 이동 중인 파동들로 채워졌다고 가정하면 우리는 물질의 입자와 물질의 파동 사이의 관계에 대한 대표적인 그림을 얻을 수 있습니다. 일반적으로 파동들은 서로를 중화시키지만(간섭되어 소멸하지만) 어떤 지점에서는 파동들 사이에 보강간섭이 일어나 두드러진 파동의 마루를 형성합니다. 이 파동의 마루가 물질 입자에 해당합니다. 그렇지만 파동들은 모두 다른 속도로 움직이기 때문에 서로 멀어져 파동의 마루는 사라지고 근처에서 다시 나타납니다. 즉 물질입자가 이동한 것입니다. 그 결과 파동의 마루는 움직이지만 그 움직이는 속도는 우주를 채우고 있는 파동계가 움직이는 속도와는 아주 다릅니다. 일반적으로 물질입자는 물질파의 표면에 대해 직각으로 움직입니다. 이것은 마치 광선이 광파의 표면에 대해 직각 방향으로 진행하는 것과 같습니다.

드 브로이의 이론은 물질입자의 이동을 지배하는 법칙과 광선의 경로에 적용되는 법칙들 사이에 유사성이 있다는 생각에서 유추된 것입니다.

광학에서 관측된 많은 현상들은 입자로서의 빛이라는 개념으로 설명하거나 기술할 수 없습니다. 대표적인 예를 들자면 빛이 좁은 틈새 사이나 날카로운 모서리의 옆을 통과할 때 나타나는 회절과 산란 현상을 들 수 있습니다. 광학에서의 산란과 회절을 설명하기 위해서는 빛이 파동이라고 가정해야 합니다.

최근 관찰된 회절과 간섭 현상은 빛의 성질에 관한 논쟁을 해결해 주었습니다. 이번에는 엑스선이었습니다. 논쟁의 주제는 엑스선이 어마어마한 속도로 분사되는 입자인가, 전자기 파동인가였습니다.

광학에서 간섭현상을 연구하는 데 사용된 격자에서는 엑스선이 회절하지 않고 통과했습니다. 아마도 엑스선의 파동이 너무나 짧거나 격자가 너무 넓었기 때문일 것입니다. 폰 라우에는 결정을 격자로 사용한다는 독창적인 생각을 했는데 그 결과 노벨상을 수상하게 되었습니다. 폰 라우에 생각의 기저에는 결정을 이루는 원자들은 규칙적으로 배열되어 있기 때문에 회절의 중심점들로 작용하리라는 것이었습니다. 또한 그 결정격자들 속에서 엑스선은 회절과 간섭 현상을 일으킬 것이라는 사실도 언급되었습니다. 결론적으로 엑스선은 파동임이 밝혀졌습니다.

드 브로이의 물질파는 파동으로서의 빛에 해당하며 물질입자의 경로는 빛의 경로에 해당합니다. 물질파 이론에 따르면 물질입자의 속도와 그 입자와 결합된 '파속'의 파장 사이에 단순한 관계가 성립합니다. 입자의 속도가 커질수록 파동의 길이는 짧아집니다. 입자의 속도를 알 수 있다면 드 브로이가 제안한 공식을 사용해 파장을 계산할 수 있으며, 그 반대도 성립합니다.

드 브로이는 물질파의 개념을 제안하고 파동역학을 발전시켰는데 이 개념은 현재 원자론 연구에 매우 중요합니다. 따라서 이러한 혁명적인 이론과 그 이론이 예측하는 물질파의 존재를 실험적으로 증명하려는 많은 시도가 있었던 것은 매우 당연합니다.

이미 언급했지만 데이비슨 박사는 동료인 쿤스만과 함께 드 브로이의 이론이 제시되기 1년 전 전자빔들이 결정의 표면에 특정한 속도로 충돌했을 때 일어나는 회절현상에 대한 일련의 실험들을 시작하였습니다. 이 실험들은 그다음해까지 계속되었으나 초기의 결과는 생소하고 설명하기 힘들었습니다. 이것은 아마도 장비의 조정과 관련된 실험적인 어려움 때문이었을 것입니다. 그러나 1928년 그의 연구가 성공하면서 데이비슨 박사와 동료인 저머는 물질파의 존재를 실험적으로 확실히 입증하고 드 브로이의 이론이 맞다는 것을 증명했습니다. 넉 달 후 데이비슨 박사와 독립적으로 똑같은 문제를 다른 실험장비를 사용해 연구한 톰슨 교수도 드 브로이의 이론을 증명했습니다.

실험을 위해 데이비슨 박사와 저머는 정육면체 니켈결정을 이용했습니다. 니켈결정을 이루는 원자들은 결정의 표면과 평행한 면에 대칭적으로 배열되어 평면에서 사각형 망을 형성합니다. 그러나 정육면체의 면이 복사의 표면으로 사용되지 않고 삼각형의 평면이 사용되었는데, 이것은 정육면체의 각이 대칭적으로 잘리게 되면 이 면에 있는 원자들은 삼각형 형태의 망을 형성하기 때문입니다.

속도가 결정된 전자들이 이 면에 입사되었습니다. 만약 입사되는 전자를 물질파로 대치한다면 이 파동은 결정의 표면과 평행하게 됩니다. 동시에 이 물질파는 표면에 있는 원자들을 때릴 것이고 맞은 원자들은 물질파를 모든 방향으로 산란시킵니다. 특정한 방향으로 방출되는 파동은 그 방향에 놓인 감지장치인 패러데이상자를 사용해 측정하고 분석합니다. 이 감지장치에서 물질파는 입자로서의 전자와 같은 효과를 가집니다.

밖으로 향하는 복사가 어떻게 생성되는지를 좀 더 잘 이해하기 위해 결정면에 평행하게 나오는 파와 삼각망의 한 변과 수직으로 나오는 파를 검출할 수 있는 수신장치를 생각해 봅시다. 삼각망의 한 변과 평행하게 원자들은 특정한 간격으로 열을 만들고 있습니다. 이 열 사이의 간격은 엑스선 측정으로 결정할 수 있습니다. 각 열은 입사되는 물질파에 따라 자신들의 파동을 산란시킵니다. 그러나 안쪽의 줄에서 나오는 파동들은 삼각형의 가장자리까지 도달하기 위해 통과해야 하는 길이 멀기 때문에 늦게 도착합니다. 파동의 간섭규칙에 따르면 불규칙적인 파동의 집합은 파동들이 서로 소멸간섭을 하는 형태로 얻어지고 그 결과 외부로 방출되는 파는 없습니다. 만약 물질파의 파장이 원자들의 열 사이의 거리와 같다면 모든 방출되는 파는 동일한 위상으로 보강간섭을 할 것입니다. 이 경우 우리는 특정한 방향에서 방출되는 전자빔의 다발을 관찰할 수 있습니다.

이들의 실험은 들어오는 전자의 속도에 따라 어떻게 보강간섭 또는 소멸간섭이 일어나는지를 보여 주고 있으며, 보강간섭이 일어난 경우 물질파의 파장은 원자의 열과 열 사이의 간격과 동일하게 됩니다. 이런 방식으로 물질파의 파장이 결정되어 파장과 속도가 결정되면, 드 브로이 공식의 타당성을 검사할 수 있습니다. 데이비슨 박사는 이론에서 예측한 값이 실험과 1~2퍼센트의 오차로 일치한다는 사실을 발견했습니다. 이들은 다양한 방향에서 전자빔의 산란을 관찰하였고 물질파 이론과 일치하는 결과를 얻었습니다.

데이비슨 박사는 전자를 50볼트에서 600볼트 사이의 전압에서 가속되게 한 후 실험을 했는데 이 경우 전자의 속도는 비교적 낮습니다. 반면 톰슨 교수는 1만에서 8만 볼트의 전압을 사용했기 때문에 전자의 속도는 상당히 빨랐습니다. 속도가 빠른 전자는 이후 물질의 구조를 연구할 때 더 유용했습니다.

톰슨 교수는 셀룰로이드, 금, 백금 그리고 알루미늄의 얇은 막을 사용했습니다. 그는 전자빔이 막에 수직으로 입사되게 하여 막의 뒤편에 놓인 형광막에 형성되는 회절형태를 관찰했고, 이 회절형태가 사진건판에 새겨지게 했습니다. 실험에 사용된 막은 1밀리미터의 1만분의 1 내지 10만분의 1의 두께였습니다. 그렇지만 이렇게 얇은 막에도 다양한 방향의 셀 수 없이 많은 작은 결정들이 있습니다. 실험 결과 형광막에는 일련의 동심원이 얻어졌는데 이는 원자들이 규칙적으로 배열해 결정을 만들고 있다는 것을 의미합니다. 그리고 이 결과는 이론에서 예측하는 바와 일치합니다. 동심원의 지름으로부터 물질파의 파장을 결정할 수 있으며 동심원 고리가 형성되기 위해서는 물질파의 파장과 고리를 만드는 결정면 사이의 거리가 일치해야 합니다. 이와 비슷한 방법이 이전에 데바이-셰러가 엑스선을 통해 결정구조를 분석할 때 사용되었습니다. 톰슨 교수의 실험은 드 브로이의 이론과 매우 잘 일치했습니다. 여기에서 더 나아가 자기장이 막을 통과하는 빔에 영향을 주어 약간 측면으로 이동한다는 것을 발견했는데, 이것은 빔이 전자들의 다발로 구성되어 있다는 것을 의미합니다.

위에 언급된 실험을 위해서 전자는 파동으로 취급되었습니다. 이후의 연구들에서 드 브로이의 이론이 분자, 원자, 원자핵의 빔들을 사용한 경우에도 적용될 수 있다는 것이 입증되었습니다.

여기까지 설명된 실험의 목적은 드 브로이의 이론을 검증하는 것이었습니다. 이 실험을 위해서는 결정 내 원자의 배열에 대한 지식들도 사용되었습니다. 엑스선을 사용한 연구를 통해 원자의 배열에 대해서는 많은 지식이 축적되어 있었습니다. 드 브로이의 법칙이 알려지고 인정을 받자 그 반대의 방법이 생겨났습니다. 드 브로이의 법칙을 통해 전자의 속도를 알 수 있다면 그 전자의 속도에 해당하는 물질파의 파장을 알 수 있습니다. 전자의 속도를 변화시키면 원하는 파장을 가진 전자를 만들 수 있습니다. 위에 언급한 연구 방법 중 하나를 적용해 결정 내 다양한 원자 면들 사이의 간격을 알 수 있으며 최종적으로 결정의 구조를 결정할 수 있습니다. 이 과정은 엑스선을 사용해 결정의 구조를 결정하는 방법과 유사합니다.

우리는 결정의 구조를 결정할 수 있는 또 다른 방법을 찾았습니다. 그러나 두 방법은 사용되는 빔의 성질이 다르기 때문에 다른 분야에서 응용됩니다. 엑스선은 빛처럼 순수한 전자기파이며 따라서 결정의 원자들에 미치는 영향은 미미합니다. 바로 이 이유 때문에 엑스선은 결정을 그냥 지나갈 수 있습니다. 같은 이유로 회절된 엑스선은 상대적으로 약해 산란된 엑스선을 기록하기 위해서는 상당히 오랜 시간 노출해야 합니다. 반면 전자의 물질파는 전하를 띠고 있어 결정을 이루는 원자가 가진 전하에 큰 영향을 받습니다. 따라서 물질파는 결정의 표면에서 빨리 흡수되기 때문에 측정된 산란파의 모양은 매우 얇은 표면의 구조만을 반영합니다. 회절되거나 반사된 전자 다발의 강도는 매우 크고 필요한 노출 시간은 극도로 짧아져 대부분의 경우 겨우 1초의 몇 분의 1 정도면 됩니다. 따라서 물질의 구조와 관련된 연구에서 전자빔은 엑스선을 대체할 훌륭한 도구입니다.

중요한 표면구조를 연구하는 데에는 전자빔 방법만이 좋은 결과를 낼 수 있는데 그 이유는 엑스선을 사용하는 경우 표면층 말고도 더 깊은 층에 있는 원자들도 산란된 빛에 영향을 받기 때문입니다. 전자빔의 사용으로 다양한 기계적, 열적, 화학적 변화가 금속의 표면구조에 미치는 영향을 연구하고 설명할 수 있게 되었습니다. 또한 기체와 분말 같은 얇은 층의 성질도 연구할 수 있었습니다. 전자빔은 짧은 시간을 노출해도 측정이 가능하기 때문에 금속의 산화와 관련된 변화 과정을 추적할 수 있고 금속이 부식성 물질에 노출될 때 일어나는 화학적 현상뿐만 아니라 다양한 온도처리가 아연과 강철의 부식현상에 미치는 영향도 관찰할 수 있습니다. 복사의 강도가 아주 크기 때문에 1,000,000분의 1그램보다 적은 질량을 가진 결정구조까지 쉽게 관찰할 수 있습니다. 또한, 전자빔 방법은 엑스선 방법에서는 너무 작아 불가능한 극도로 작은 결정구조를 가진 물질을 찾는 데 사용될 수 있습니다.

전자빔으로 얻은 실험 결과들을 모두 소개하기는 불가능합니다. 특히 전자빔을 사용한 연구 분야가 물리학과 화학에서 계속 만들어지기 때문에 더욱 그렇습니다.

데이비슨 박사님.
결정에 입사되는 전자빔들이 회절과 간섭 현상을 일으키는 것을 발견하였을 때, 그 자체로도 전자의 성질에 관한 우리의 지식을 넓혀 준 발견임에 틀림없습니다. 그렇지만 그 발견에는 훨씬 더 중요한 의미가 있습니다. 전자의 회절에 대한 연구로 물질의 파동적 성질을 증명한 것입니다. 박사님과 톰슨 교수님께서 수행해 온 연구와 두 분이 수행한 추가적인 연구들은 물질의 구조를 연구하기 위해 종래 사용되었던 엑스선을 대체할 만한 새롭고 값진 도구를 과학에 안겨 주었습니다. 전자빔을 사용한 새로운 연구는 이미 물리학과 화학, 그리고 이러한 과학들의 실용적 응용 분야에서 다양하고 의미 있는 결과가 나오고 있습니다.

스웨덴 왕립과학원을 대표하여 두 분의 중요한 발견에 대해서 축하를 보냅니다. 이제 나오셔서 노벨상을 받으시기 바랍니다. 스웨덴 왕립과학원은 톰슨 교수께서 여기에 나오지 못한 점을 매우 유감으로 생각합니다. 상은 영국 총리께 대신 전달될 것입니다. 총리께서는 톰슨 교수를 대신하여 전하로부터 노벨상을 받으십시오.

스웨덴 왕립과학원 노벨 물리학위원회 위원장 H. 플레옐