한스 라이헨바흐, [원자와 우주] 14: 물질의 분해, 방사능

 

14. 물질의 분해: 방사능

 

   1898년에 마리 퀴리 부인이 라듐을 발견했다는 소식은 세계로 퍼져나갔고, 미래의 예언자들은 기술적 진보에 대한 아주 대담한 꿈들에 가득 차 있었다. 이들은 단지 상상되기만 했던 이 꿈들이 현실화되기를 바랐다. 사람들은 미래의 세대에서는 적은 라듐 결정이 등불을 대체해서 라듐 광선들이 모든 비밀스런 장소들을 다 비추고, 작은 라듐 금속이 모든 기계들과 발전소에 필요한 만큼의 에너지를 공급하리라 상상했다. 라듐이라는 이름 그 자체가 일종의 마법과 같이 들렸고, 많은 대중들에게 라듐은 중세 시대 사람들이 찾던 철학자의 돌과 같은 무엇인가를 의미했다. 특정한 의학적 치료 속성들은 차치하더라도, 이러한 모든 기술적인 희망들 중에 지금까지 현실화 된 것은 거의 없다. 시계의 시침과 분침에 라듐이 사용되어 아주 깊은 어둠 속에서도 미약한 빛을 내어 시간을 확인할 수 있는 사례가 있기는 하다. 아직 라듐과 관련된 기술적인 발전은 일어나지 않았다. 그러나 더 심오한 것은 라듐의 발견을 통해 우리가 얻게 된 과학적 통찰이며, 이를 통해 우리는 물질 탐구의 새로운 시대를 맞이하게 되었다.

  

   X선의 발견은 라듐의 발견보다 3년 앞섰다. 사람들은 빛처럼 공기로 차 있는 공간을 통과하지만 우리의 눈에는 영향을 주지는 않는 이 광선에 대해 주목했다. 물리학자들은 그들이 유사한 다른 광선을 발견할 수 있을지 여부를 확인하기 위해 매우 주의를 기울여 모든 현상들을 관측했다. 뢴트겐의 위한 발견이 있은 지 1년이 지나지 않아서 이러한 물리학자들의 노력은 성공의 결실을 맺었다. 왜냐하면 프랑스 물리학자 베크렐(Becquerel)이 운 좋게도 우라늄을 발견했기 때문이다. 우라늄은 지구상의 희귀 광물에 속하며, 검은색 종이로 덮인 사진건판도 검게 만드는 광선을 방출한다. 이후 이러한 방사성 속성을 탐구하기 위해서 이와 관련된 모든 물질들에 대한 체계적인 연구가 시작되었다. 퀴리 부인과 그녀의 남편은 아주 조심스럽게 혼신을 기울여서 이러한 작업을 했다. 처음에 그들은 방사성 속성을 갖고 있는 물질인 토륨을 발견했다. 이후 보헤미아에서 발견된, 우라늄을 포함하고 있는 광물인 역청 우라늄광(pitchblende) 역시 방사성을 갖고 있음을 확인했다. 이 광물이 우라늄을 포함하고 있기 때문에 방사성을 갖고 있다는 것은 이해할 수 있었지만, 퀴리는 역청 우라늄광에서 이상한 측면을 하나 발견했다. 역청 우라늄광은 우라늄보다도 더 강한 방사능을 갖고 있었던 것이다. 따라서 퀴리 부부는 역청 우라늄광에 다른 알려지지 않은 성분이 포함되어 있다고 추측하고, 화학적 분석을 사용하여 이 광물을 체계적으로 탐구해 나갔다. 이렇듯 극도의 노력을 통해서 퀴리 부부는 폴로늄과 라듐이라고 이름을 붙인 두 종류의 새로운 물질을 발견할 수 있었다. 퀴리 부인은 첫 번째 이름을 통해서 그녀 자신의 고국인 폴란드를 기념하고자 했다. 두 번째 이름을 통해 그녀는 문제가 되는 물질의 본성을 특성화하고자 했다. 왜냐하면 라듐은 실제로 광선들을 풍부하게 갖고 있었기 때문이다. 아주 작은 크기의 역청 우라늄광에서도 강력한 방사능 효과를 찾아볼 수 있었다. 그리고 수 톤의 역청 우라늄광에서 단지 몇 데시그램(1데시그램은 280분의 1온스보다 더 적다)의 라듐만이 획득될 수 있다는 것이 분명해보였다.

  

   이러나 광선을 방출하는 물질은 이들 뿐만이 아니었다. 다수의 연구자들에 의해서 모든 물질들에 대한 일련의 실험들이 진행되었고, 연구자들은 실험 결과를 공유했다. 그 결과 비슷한 방사성 물질들의 전체 집단이 드러났다. 이 물질들은 방사성 물질들이라 불렸고, 그 중에서도 라듐은 이 물질들을 대표하는 물질로 남게 되었다. 왜냐하면 라듐은 다른 물질들에 비해 매우 강력한 방사성 속성을 갖고 있기 때문이었다.

  

   그렇다면 방출되는 광선들은 어떤 종류의 광선들일까? 학자들이 이에 대해 탐구한 결과, 방출되는 광선들은 세 가지 부류로 나누어진다는 것을 금방 확인할 수 있었다. 학자들은 이 세 가지 부류의 광선들에 그리스 알파벳의 처음 세 문자들을 이용해서 이름을 붙였다. 이들 중에서 오직 하나의 유형인 감마선만 X선을 닮았다. 다른 두 종류의 광선은 알파선과 베타선은 전기 전하의 영향 아래에서 높은 정도로 공기가 배출된 관을 통과하는 광선과 대응했다. 특히 베타선은 음극선과 정확하게 동일한 행태를 보였기에 전자들로 이루어졌음을 알게 되었고, 알파선은 양극선(canal ray)와 대응하여 양으로 대전된 물질 입자들로 구성되었음이 분명했다. 그러나 이러한 결과들은 과학자들에게 심각한 수수께끼가 되었다. 이 광선들은 에너지를 동반하고 있었고, 실제로 알파선은 라듐에 의해서 제공된 물질에서 생성되었다. 그렇다면 이 에너지의 근원은 무엇이며, 이 에너지는 어떤 종류의 물질로부터 빠져나오는 것일까?

  

   무엇보다도 방사성 물체가 갖는 에너지의 양은 그것이 제공하는 열로 구성된다. 따라서 첫 번째 추측은 에너지 손실로 인해서 물체의 냉각이 발생하고, 최종적으로는 특정한 시간에 에너지 손실이 멈춘다는 것이었다. 그러나 확인 결과 이 추측은 잘못된 것이 밝혀졌다. 그 어떤 냉각 현상도 관측되지 않았고, 방사성 물체는 주변의 사물들보다 온도가 낮은 상태에서도 광선을 방출했다. 심지어 액화 공기 수준의 온도에서도 물체의 방사성 활동에는 변화가 없었던 것이다. 또한 이 활동이 소진되는 것을 지각할 수조차 없었다. 예를 들어, 라듐 결정은 그 방사성 활동이 줄어들지 않은 채 몇 년 동안이나 보관될 수 있다. 따라서 방사성 물질에는 엄청난 양의 에너지의 근원이 있었으며, 이로부터 방사가 진행되고 있었다. 그렇다면 그것은 과연 어떤 종류의 근원인 것일까?

  

   이 지점에서 우리가 앞선 9장에서 살펴보았던 아인슈타인에 의한 논증이 문제에 대한 명료한 해답을 제공한다. 우리는 아인슈타인이 어떻게 방사 에너지가 관성과 무게의 속성들을 가져야 하는지 계산했는지를, 그가 어떻게 에너지를 질량과 동일한 본성을 갖는 것으로 인지했는지를 살펴보았다. 더 나아가 아인슈타인은 이에 대응하는 속성들이 어떤 형태로든 에너지를 필요로 함을 보일 수 있었다. 따라서 우리는, 예를 들어 한 덩이의 철을 가열했을 경우 철 덩어리의 무게가 증가하고 있다고 보아야만 한다. 만약 우리가 비슷한 두 개의 철 덩어리를 저울에 올렸을 때, 한 쪽 덩어리가 뜨겁다면 저울이 뜨거운 덩어리 쪽으로 기울 것이라고 생각해야 한다. 빛의 속도의 제곱에 의해 주어지는 에너지와 질량 사이의 아인슈타인 전환 계수(conversion factor)(142쪽을 보라)에 따르면 에너지가 질량에 기여하는 양은 극도로 작다. 따라서 우리가 상상하는 실험은 실제로는 수행될 수가 없다. 그러나 적어도 원리상으로는 그와 같은 효과가 나타나야 하며, 이는 다른 종류의 에너지 예를 들어 전기적 에너지를 요구하게 된다.

  

   에너지와 질량의 유사함에 대한 이와 같은 고찰들은 방사능을 설명하는 데 본질적인 역할을 한다. 방사능 분해는 사고 실험이 기술했던 것과 역의 과정이라고 생각할 수 있다. 이 역의 과정에서는 에너지가 질량의 속성을 갖는 것이 아니라, 그 반대로 질량이 에너지로 변환된다. 그 결과 아인슈타인의 전환 계수는 반대쪽에 나타난다. 질량이 아주 적게 손실되더라도, 질량이 빛의 속도의 제곱과 곱해지기 때문에 이는 엄청난 양의 방사 에너지를 나타낸다. 방사능 분해의 사례에서 방사선들이 갖는 에너지의 양은 질량이 에너지로 변환되는 것으로써 정당화될 수 있다.

  

   이러한 개념들에 따르면 에너지의 양은 원자 질량 그 자체에 포함되어 있으며 그 양은 어마어마하다(stupendous). 계산을 해보면 그 어떤 물질이라도 1그램의 질량이 있으면 이를 통해 얻을 수 있는 에너지는 석탄 3천 톤을 태웠을 때의 에너지와 맞먹는다. 그렇다면 원자들의 질량이 파괴될 경우 에너지의 기술적인 근원이 형성되며, 이는 이전까지 알려졌던 그 어떤 기술적인 근원을 초과하는 것이다. 이러한 엄청난 양의 에너지를 사용할 수 있도록 만드는 기술이 미래에 발견될 지도 모른다. 적어도 현재로서는 원자 에너지를 사용하지 못하는 우리의 무능력에 특정한 이점이 있다. 왜냐하면 만약 질량이 폭발한다면 이러한 폭발이 주변의 사물들에게 미칠 영향을 예측하기가 불가능하기 때문이다. 이 때 폭발은 너무나 강력해서 인근에 있는 모든 원자들 및 근처에 있는 모든 사물들을 폭발 속으로 끌어들여버릴 수도 있기 때문이다. 따라서 우리는, 한때 네른스트(Nernst)가 공식화했던 것과 같이, 화약으로 이루어진 섬 위에서 살고 있으며, 단지 신의 도움으로 이 화약에 불을 붙일 성냥을 아직까지 찾지 못한 것일 뿐일지도 모른다. 우리가 사용하는 일상적인 성냥은 대략 섭씨 1500도의 온도를 가질 뿐이다. 만약 우리가 원자들의 에너지를 방출하고자 한다면 우리는 대략 섭씨 백억 도의 온도가 필요하다. 다행히도 두 온도 사이의 격차가 너무나 크기 때문에, 우리는 가까운 미래에 우리의 물리학자들이 그러한 큰 온도를 발생시킬 수 있는 성냥을 발명하지 못할 것이라고 생각하며 안심해도 될 것이다.

  

   물리학에서 방사성 분해의 의의는 이것이 질량을 에너지로 변환하는 것을 우리에게 최초로 보여준 데 있었다. 그런데 이 동일한 과정이 화학에 있어서는 아주 다른 귀결을 가져왔다.

  

   방사성 분해에서는 화학적 과정과는 본질적으로 서로 다른 특성의 변환이 발생한다는 것을 부정할 수는 없다. 화학적 과정에서는 원자들이 단지 재배열됨에 따라 새로운 분자가 만들어지는데, 방사성 분해는 원자들 자체의 내부에서 일어나는 것이기 때문이다. 이는 라듐이 화학적 결합물에서도 마치 고립되어 있는 상태에서와 같이 계속 방사 활동을 지속한다는 사실로부터 인지되었다. 따라서 방사는 원자 그 자체의 내부로부터 비롯되는 것이 틀림없다. 이는 우리가 최초로 원자의 내부 과정과 맞닥뜨리게 된 것을 의미한다. 우리는 화학적 변환의 경계를 넘어 원자 내부에 대한 지식을 얻게 되었다. 한때 원자는 더 이상 분할되지 않을 것이라고 믿어졌음에도 불구하고 말이다. 이제 원자 내부에 대한 지식을 원자 밖 세계에서도 얻을 수 있게 된 것이다.

  

   우리가 앞선 11장에서 언급했던, 원소들의 주기적 체계에 대한 지식이 없었다면 과학 세계에서는 이러한 사실을 어떻게 다루어야 할지 알 수 없었을 것이다. 원소들의 주기적 체계와 관련하여 원소들이 내적으로 서로 연관되어 있다는 견해가 아주 오래 전부터 있었기 때문이다. 따라서 방사성 물질의 분해를 비판적으로 검사하는 것이 주기적 체계에서 볼 수 있는 서로 관련된 원소들의 계열들에 의해 지지되어야 하는 것은 자연스러운 것이었고, 실제로 원자들의 분해가 그 다음 순번의 원소들에 이르게 함이 밝혀졌다. 따라서 분해의 전체 계열이 등장했다. 분열에 의해 얻어진 물질은 방사선을 방출하면서 다시 분해되어 새로운 물질을 만들고, 최종적으로는 안정된 물질이 된다. 중간 단계의 물질들 중 대부분은 그 수명이 짧다. 이러한 물질들의 수명은 대개 절반 주기로 측정되는데, 이는 물질이 원래의 양에 비해서 절반으로 줄어들 때까지 걸리는 시간이다. 이제 우리는 라듐의 경우 이러한 분해가 어떻게 이루어지는지를 살펴보기로 하자.

  

   라듐은 처음에 기체 물질인 발산체(에마나치온)로 변화하면서 이와 동시에 알파선을 방출한다. 라듐 자체는 원자 무게 226을 갖지만 라듐의 발산체은 원자 무게 222를 갖는다. 이러한 무게 차이는 하나의 헬륨 원자가 이탈함에 따라서 발생하는 것인데, 헬륨 원자 하나는 정확히 4단위의 무게를 갖는다. 라듐 발산체(“라돈”이라고도 불린다)는 오래 가지 않는다. 4일 정도가 지나면 이 발산체는 이미 절반 정도가 없어져 있다. 다른 한편 라듐은 놀랄 만큼 오랜 수명을 갖기에, 원래 물질의 절반으로 줄어드는 데 1,750년이 걸린다. 그렇기 때문에 처음에는 라듐의 붕괴가 전혀 감지되지 않는다. 가장 섬세한 측정 도구를 사용해야만 아주 경미한 무게 손실이 있다는 것을 보여줄 수 있다. 라듐의 분열 과정에서 헬륨 원자인 알파선이 방출되며 단지 몇 분만 지속되는 짧은 수명을 갖는 라듐 A가 생성된다. 이러한 변환은 계열을 이루어 총 10개의 원소들이 포함된다. 우리는 이 원소들 중에서 포함된 폴로늄에 대해서 살펴보고자 한다. 폴로늄은 라듐의 후예(descendant)인 셈이다.

  

   나중에야 라듐 자체도 일종의 후예임이 밝혀졌다. 라듐은 우라늄으로부터 비롯된다. 우라늄은 모든 물질의 실질적인 아버지라 할 수 있다. 왜냐하면 우라늄은 가장 무거운 원소이기 때문에 다른 원자로부터 도출될 수 없기 때문이다. 악티늄 역시 우라늄 계열로부터 분기된 원소인데, 이 원소의 계열은 더 이상 역으로 추적되지 않는다. 오늘날 우라늄 계열 이외에 독립적으로 존재하는 유일한 계열은 토륨 계열이며, 그렇기에 우리는 현재 방사성 물질의 두 가계인 우라늄계과 토륨계를 갖고 있는 셈이다.

  

   이와 관련하여 화학적 관점에서 볼 때 매우 흥미로운 발견이 이루어졌다. 서로 다른 원자 무게를 갖고 있기 때문에 서로 다른 원자 내부 구조를 갖고 있는 물질들 중에서, 서로 너무나 비슷해서 마치 동일한 물질로 여겨지는 물질들이 발견된 것이다. 그러한 물질들을 동위원소(isotope)라 부른다. 원자 무게 207을 갖는 일반적인 납은 그 자체가 두 개의 서로 다른 종류의 납으로 구성된 혼합물임이 밝혀졌는데, 이때 두 개의 납의 무게는 각각 206과 208이었다. 첫 번째 무게인 206은 우라늄 계열의 마지막 숫자이며, 두 번째 무게인 208은 토륨 계열의 마지막 숫자이다. 이 발견은 원자 구조에 대한 이론적인 탐구에 있어 아주 중요한 것이었다.

  

   방사성 물질 분해에 대한 탐구는 다른 종류의 연구 분야인 지질학(geology)에서도 큰 의의를 갖는다. 왜냐하면 분해 계열에 속하는 다양한 원소들은 서로 다른 속도로 분해되기 때문에, 특정한 양을 가진 순수한 우라늄 또는 토륨은 일정한 시간이 지나면 분열의 결과로 생성된 각각의 산물들이 일정한 비율을 차지하는 혼합물로 바뀌어 있을 것이기 때문이다. 그러나 이러한 비율은 시간에 따라서 변한다. 천천히 분해되는, 즉 상대적으로 볼 때 거의 불변하는 물질은 다른 물질이 분해됨에 따라서 혼합물 중에서 더 많은 비중을 차지하게 될 것이다. 이 비율이 시간에 따라서 어떻게 변화할 것인지에 대해서는 이론적으로 계산할 수가 있다. 역으로, 지구의 지각이 서로 다른 비율을 가진 방사성 물질들을 포함하고 있을 경우를 생각해보자. 이 때 서로 다른 비율은 물질들의 발생 빈도를 통해 추정된다. 이러한 물질 분포로부터 우리는 방사성 분해가 어느 정도의 시간을 거쳐 진행되었는지에 대한 결론을 이끌어낼 수 있다. 그와 같은 질량 통계학을 통해 우리는 지구의 나이를 판단할 수 있게 되었고, 이러한 방법으로 우리는 지구의 견고한 지각이 형성된 지 30억 년 정도 지난 것이 틀림없음을 확인할 수 있었다. 여기서 사용된 추론은 특히 이론적인 측면에서 흥미로운 것이다. 왜냐하면 이 추론은 시간의 지질학적 측정 원리를 명료하게 보여주기 때문이다. 시계가 지침의 공간적 위치 변화를 통해 시간의 흐름을 보여주는 것처럼, 방사성 분해는 물질이 남아 있는 비율의 변화를 통해서 시간의 흐름을 보여준다. 라듐 시계를 이용해서 지구의 나이를 읽는 것은 이러한 사실에 대한 인지만을 필요로 했다.