(서평) 방사선과 원소 -정완상 作-

세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 방사선과 원소 - 위대한 퀴리 가문의 탄생부터 주기율표의 완성까지 ㅣ 노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 2
정완상 지음 / 성림원북스 / 2023년 7월

우리가 흔히 사용하는 방사선은 두 가지 얼굴이 있다. 방사선이 없었다면 특히 X선이 없었다면 병의 진단을 담당하는 영상의학은 물론, 암 치료의 혁신이라 불리는 방사선종양학과의 발전이 없었을 것이다. 비단 의료 뿐만 아니라 방사선의 성질을 이용해 산업 곳곳에서 쓰이는 것을 생각한다면 인류의 발전이 지금보다 훨씬 더디게 진행되었으리라 생각이 든다. 이러한 우리 인류의 방사선 활용과 또 다른 어두운 측면에서는 방사선 노출, 피폭으로 인하여 인간 건강에 대한 위험, 그리고 피폭이 된 주변 지역의 생태계 파괴 등 위험성 또한 존재하고 있다. 이 책을 통해 방사선의 발견에 있어서 어떠한 고충들이 있었고, 방사선을 통한 노벨 수상자들의 업적에 대한 면면을 살펴보고자 한다.

- 방전관에서 발견된 X선

1835년 영국 스코틀랜드의 과학자 린지는 최초로 백열 전구를 발명했다. 당시 여러번의 개량은 있었지만 수명이 짧고 열이 나는 단점으로 상품화에는 실패한다. 하지만 이후 스완의 탄소 종이 필라멘트 개발 및 세계적으로 유명한 에디슨의 탄소 필라멘트 발명이 순차적으로 일어나며 수명 1,500 시간인 전구가 탄생하게 된다.

한편, 두 전극 사이에 높은 전압을 걸어 기체를 통해 전기가 흐르는 현상인 방전을 이용한 조명기구의 발명 또한 있었다. 영국의 과학자 데이비가 1800년대에 두 개의 탄소 전극에 볼타 전지로 높은 전압을 걸어 빛이 나는 아크등을 만들게 되는데 이것이 세계 최초의 전기 조명 기구이다. 다만 밝기 조절이 어려워 초기에는 너무 밝은 빛 (촛불 4,000개) 과 큰 부피와 복잡한 설치 등의 이유로 가정용이 아닌 대도시의 가로등으로 사용하게 된다.

이후 유리 세공업자이자 물리학자인 가이슬러가 1857년 진공 유리관 장치, 최초의 방전관인 가이슬러관 Geissler tube 를 발명한다. 이후 영국의 크룩스는 가이슬러관의 공기 압력을 줄여 (천 분의 일 수준) 높은 전압을 걸었을 때 빛의 차이가 생기는 것을 발견하고 이를 크룩스관이라고 부르는 방전관을 발명한다. 이후 여러 플뤼커와 히토르프 등의 여러 과학자들이 크룩스 관 속의 음극에서 양극으로 빔이 직선으로 뻗어 나오는 것을 발견하고 이를 '음극선' 이라 명명하게 된다.

이후 방전관에 전류를 흘렀을 때 검은 천을 뚫고 나와 형광 스크린에 비춰지는 와이프 손의 사진을 통해 투과하는 신비한 선에 대한 존재를 확인하게 된다. 그리고 그는 1895년 뷔르츠부르크 물리학회지에 <새로운 광선에 대하여> 라는 논문에서 X선에 대해 발표하게 되면서 최초로 방사선에 대한 존재가 확인되었다.

- 전자의 발견과 전하량 측정

과학자 톰슨과 스토니가 양이온이 음극, 음이온이 양극에 달라붙는 전기 분해 과정을 연구하며 최소의 전하량을 가진 입자의 존재의 가능성을 발견하고, 이 입자에 전자 electron 라고 이름을 붙였다. 그리고 미국 컬럼버이 대학 물리학과에서 공부한 밀리컨이 전하의 전하량을 기름방울을 통하여 측정하게 된다. 전기장의 세기를 조정해서 기름방울이 정지하는 순간의 속도를 측정하는 방법으로 발견을 하게된다.

- 20세기 최고의 여성 과학자 마리 퀴리

노벨상을 수상한 최초의 여성, 첫 여성 물리학과 교수, 처음으로 노벨상을 두 번 수상한 여성 등 화려한 수식어를 가진 최고의 여성 과학자 마리 퀴리. 그녀의 원래 이름은 마리아 스크워도프스카 Maria Sklodowska 로 폴란드의 수도 바르샤바에 출신이다. 원하는 공부와 인생을 살기가 힘들었던 그녀는 프랑스 파리 소르본 대학에 다니며 물라학과 수학을 공부한다. 1893년부터 지도를 해주던 리프만 교수의 소개로 당시 자성의 권위자인 피에르 퀴리를 소개받고, 둘은 사랑에 빠지게 된다.

"당신의 애국적인 꿈, 우리의 인도주의적 꿈과 과학적 꿈에 매혹되어

우리가 서로 가까이에서 함께 인생을 보낼 수 있다면 얼마나 좋을까요."

- 1894년 8월 10일 피에르가 마리에게 보낸 편지 -

결혼 이후 마리 퀴리는 남편 피에르와 함께 공동 연구를 하게 되는데 기존의 우라늄에서 나오는 방사선보다 훨씬 더 강력한 방사선을 낸다는 것을 발견하고, 이후 '폴로늄'을 찾아낸다. 미지의 원소와 알려진 원소가 섞여 있는 광물에서 화학적 성질의 차이를 이용해 하나씩 분리해 가면서 발견한 새로운 원소의 발견 과정이었다. 이 후 폴로늄과 화학적 특성이 완전히 다른 두 번째 방사능 원소인 '라듐' 을 발견하게 된다.

이 책은 방사선의 발견이 있기 까지의 배경이 되는 방전판의 개발 과정 그리고 퀴리 부부의 방사능 원소의 발견 및 그 이후의 방사능에 대한 연구과정을 이어서 설명한다. 방사선을 둘러싼 인류의 과학사가 줄줄이 나오면서 하나의 연대기처럼 풀어주는 설명을 읽다보면 나도 그 역사의 한 가운데에 있다는 생각이 들었다. 지금에서야 한 줄의 과학사 일지 모르지만 어찌보면 운명과도 같은 우연이 그 속에 자리잡고 있었던게 아닐까?

마리와 피에르 퀴리의 만남 역시 지금이야 붙어다니는 '퀴리 부부' 라고 부르지만, 두 사람의 만남이 없었다면 현재의 방사능 물질에 대한 발견이 가능했을까? 우연들이 겹쳐 이루어진 인류의 과학사에 대한 운명과 같은 흐름, 그리고 정완상 교수의 특기인 어려운 것을 쉽게 설명해주는 방사선 과학이야기, 대화형으로 전개되는 스토리 라인이 이 책의 강점이라 생각한다.