러더퍼드의 방사능(한국연구재단총서 학술명저번역 624)(양장본 HardCover)

이 책이 출판된 1905년은 물리학의 대변혁에 대한 기대로 흥분과 감동이 막 점화되려던 시기였다. 사실 현대적인 의미의 물리학은 뉴턴이 1687년 그의 저서 ?프린키피아?를 출판하며 시작되었다고 해도 과언이 아니다. 그 이후 200년 동안 학자들은 갖가지 자연현상에 뉴턴의 물리학을 적용하여 설명되지 않는 것이 없었기 때문에, 19세기 말에 이르러서는 자연현상에 대해 인간이 모르는 비밀은 없다고 믿기에 이르렀다. 그런데 19세기가 끝나고 20세기가 시작되면서 예상과는 다르게 뉴턴의 물리학으로는 이해될 수 없는 현상들이 하나둘 드러나기 시작했다.

그러한 대변혁의 출발은 1895년 크룩스관을 이용해 실험을 하던 독일의 뢴트겐이 우연히 엑스선을 발견한 것이었다. 그 뒤 뢴트겐의 엑스선 발견에 자극을 받고 엑스선과 비슷한 광선을 발견하려고 인광(燐光) 물질을 조사하던 베크렐은, 사실은 인광과는 별 관계없이, 순전히 우연히 1896년 방사선을 발견했다. 방사선은 초기에는 별 관심을 받지 못하였으나, 1898년 퀴리 부부가 강력한 방사선을 방출하는 새로운 원소인 라듐과 폴로늄을 발견한 뒤 새롭게 관심의 대상이 되었다. 그러나 엑스선과 방사선이 왜 방출되는지, 그리고 이들이 나르는 막대한 에너지의 근원은 무엇인지 알 수가 없었다. 그리고 역시 크룩스관을 이용해서 음극선의 정체가 무엇인지 연구하던 영국의 J. J. 톰슨은 1897년 음극선이 미립자의 흐름이라는 결론을 내리고 그 미립자를 전자(電子)라고 불렀다. 그러나 원자보다도 더 작고 원자로부터 나온 것처럼 보이는 전자 또한 설명할 길이 없었다.

이러한 현상들을 설명하기 위한 물리학자들의 끈질긴 노력은 미시세계의 자연법칙인 양자역학까지 도달하는 원동력이 되었으며, 러더퍼드도 그 과정에서 큰 역할을 담당하였다. 그렇지만 러더퍼드가 이 책을 발표한 1905년에는 방사선을 방출하는 원자핵의 존재 자체를 알지 못하고 있었을 뿐 아니라, 당시 알려지기 시작한 이런 현상들을 설명하는 데 그렇게도 믿었던 뉴턴의 물리학은 전혀 쓸모가 없었다. 그런 시기에 러더퍼드는 이 책에서 자신이 방사능에 대해 직접 실험을 통하여 분석한 내용뿐 아니라, 그때까지 실험에 의해 드러난 대부분의 현상들을 논리적으로 이해하기 위하여 체계적으로 정리하고 분석한 내용을 설명하였다.



이 책은 19세기 말에 갑자기 출현한, 당시 과학에서 전혀 새로운 현상이었던, 방사능 분야에 대한 설명을 담고 있다. 방사선은, 뢴트겐이 발견한 엑스선과 비슷한 현상을 자신도 찾아낼 욕심으로, 인광(燐光)에 대해 연구하던 베크렐에 의해 1896년에 참으로 우연히 발견되었다. 그 후 퀴리 부부의 끈질긴 노력으로 방사선을 방출하는 새로운 원소인 라듐과 폴로늄을 발견하면서 방사능이라는 전혀 예상치 못했던 현상을 규명하려는 학자들의 관심이 집중되었고, 퀴리 부부와 베크렐이 1903년 방사선을 발견한 공로로 노벨 물리학상을 수상하면서 방사능 분야가 20세기 초 해결되어야 할 가장 주목받는 신비한 분야로 대두했다.

이 책이 저술된 1905년까지 방사선과 관련된 현상은 당시 알려진 지식으로는 도저히 이해되지 않았다. 일부 원소로부터 물질을 투과하는 보이지 않는 강력한 방사선이 어떻게 나올 수 있는지, 방사선이 나르는 에너지의 근원은 무엇인지 알 수 없었고, 시간에 따라 방사능 물질에서 방출되는 방사능이 감소하는 것으로부터 화학 반응과는 전혀 다른 방법으로 한 가지 종류의 물질이 다른 종류의 물질로 바뀌는 증거 앞에서 어떻게 할지를 몰랐다. 방사능을 연구하는 학자들이 아무리 능력이 있다고 하더라도 방사능 현상에서 알려진 새로운 현상의 불가사의한 점들은 절대로 풀릴 수 없었던 것이다. 이 과제가 해결되기 위해서는 원자의 내부세계인 미시세계에 대한 근본적인 법칙인 양자역학이 발견되기까지 기다려야만 되었다. 한편, 반대로 방사능 현상이 보여준 전혀 예상하지 못했던 규칙성들은 미시세계를 지배하는 진리를 찾아내는데 없어서는 안 되는 길잡이 역할을 톡톡히 해냈다.

이 책은 방사선이 발견되고 방사능 현상에서 관찰되는 규칙성들이 드러나기까지 이어지는 흥미진진한 이야기가 일반 독자들도 이해할 수 있는 방법으로 저술되어 있다. 이 책에서는 방사능 현상에 대해 알려진 것을 단순히 설명하는 것에 그치지 않고, 방사능과 관련된 과학적 그리고 철학적 측면들을 검토하며, 과학이란 무엇인가라는 좀 더 근본적인 문제까지 확장하여 다룬다.

1판 서문

2판 서문

역자 해제



제1장 방사성 물질

제2장 기체의 이온화 이론

제3장 측정법

제4장 방사선의 정체

제5장 방사선의 성질

제6장 방사성 물질의 연속적인 생성

제7장 방사성 에머네이션

제8장 들뜬 방사능

제9장 연이은 변화 이론

제10장 우라늄, 토륨, 악티늄의 변환 생성물

제11장 라듐의 변환 생성물

제12장 에너지를 방출하는 비율

제13장 방사성 과정

제14장 대기(大氣)와 보통 물질의 방사능

부록 A 선의 성질

부록 B 방사성 광물

삽화(그림 46A: 브롬화라듐의 스펙트럼)



찾아보기

어니스트 러더퍼드 Ernest Rutherford, 1871-1937

러더퍼드는 20세기의 가장 위대한 과학자 중 한 사람으로, 영국에서 뉴질랜드로 이민 온 가정에서 1871년에 출생했다. 그는 1894년 영국 정부 장학금으로 영국 케임브리지 대학에서 연구를 시작하고, 1898년에는 캐나다의 맥길 대학에 물리학과 맥도널드 석좌교수로 부임해서 왕성하게 활동하다가 1907년 영국으로 돌아와 맨체스터 대학의 물리학과 교수로 취임하고, 원자핵을 발견하는 실험과 같은 중요한 업적으로 맨체스터 대학을 물리학 분야에서 유명하게 만들었다. 1919년에는 은퇴하는 J. J. 톰슨의 뒤를 이어서 케임브리지 대학 물리학과 교수와 캐번디시 연구소 소장 직을 맡아달라는 요청을 수락한 러더퍼드는 캐번디시 연구소를 유럽에서 확고하게 물리학 연구의 중심지가 되도록 만들고, 소장 재임 기간 동안에 노벨 물리학상을 수상하게 되는 여러 명의 학자들을 양성했다. 그러나 그는 왕성한 활동을 하던 중 1937년 갑자기 간단한 수술을 받게 되었는데, 그로부터 쾌유되지 못하고 며칠 뒤 안타깝게도 66세를 일기로 운명했다. 그의 유해는 웨스트민스터 사원의 뉴턴의 묘 옆에 안장되었다.



러더퍼드는 세 가지의 탁월한 업적을 통하여 핵물리학 분야를 창시하고, 원자의 구조에 대한 관점을 근본적으로 바꾸며, 20세기의 물리학 발전 방향을 선도해 나갔다. 첫 번째 업적은 그가 맥길 대학에서 알파선에 대한 연구를 수행하면서 이루어졌는데, 그는 원소(元素)란 결코 바뀔 수 없다는 종전의 관념을 뒤집고, 무거운 원소가 약간 더 가벼운 원소로 저절로 바뀔 수 있음을 최초로 증명했으며, 이 업적으로 1908년 노벨 화학상을 수상했다. 두 번째 업적은 맨체스터 대학에서 이루어졌는데, 알파선을 금박(金箔)에 보내는 실험을 통하여 당시 상상했던 것과는 전혀 달리 원자의 중심부 아주 작은 부분에 원자핵이 존재함을 발견함으로써, 원자의 내부 세계를 탐구하는 첫걸음을 내딛게 만들었다. 세 번째 업적은 1919년 맨체스터 대학에서 시작해서 케임브리지 대학의 캐번디시 연구소에서 완성했는데, 방사능 원소에서 방출된 높은 에너지의 알파선과 충돌한 질소가 빨리 움직이는 양성자를 내보내고 산소로 변환되는 것을 확인했다. 이로써 러더퍼드는 인류 역사상 처음으로 인위적인 방법에 의해 한 원소를 다른 원소로 바꿨고, 사람들은 그를 최초의 성공한 연금술사라고 불렀다.