제임스 채드윅

제임스 채드윅은 원자폭탄을 개발했다

제임스 채드윅은 1891년 10월 20일 영국 체셔주의 볼링턴에서 방적공인 존 조셉 채드윅과 가사노동자였던 앤 마리 노리스 사이의 첫째 아이로 태어났다. 할아버지의 이름을 물려받아 ‘제임스’라고 불리게 되었다. 1895년 부모는 제임스를 외가에 맡기고 맨체스터로 이주하였다. 제임스 채드윅은 볼링턴 크로스 초등학교를 다녔으며 졸업할 때가 되자 맨체스터 그래머 스쿨로부터 입학 제의를 받았지만 부모의 벌이로는 도저히 학비를 감당할 수 없어 포기하였고, 대신 맨체스터에 있는 남자 센트럴 그래머 스쿨에 입학하였다. 그래머 스쿨에 진학하게 되자 제임스 채드윅은 다시 부모와 살게 되었다. 당시 제임스에게는 두 명의 남동생이 있었고, 태어나서 얼마 지나지 않아 죽은 여동생도 있었다. 16세에 두 곳의 대학 입학시험을 보았고 둘 다 합격하였다.
채드윅은 1908년 맨체스터 빅토리아 대학교에 입학하였다. 가고자 한 곳은 수학과였지만 실수로 물리학과를 적어내는 바람에 물리학을 배우게 되었다. 그는 대부분의 학생들처럼 4 마일(6.4 km) 정도 떨어진 그의 집에서 걸어서 통학하였다. 1학년을 마치고 채드윅은 물리학과에 주어지는 헤진버텀 장학금을 받게 되었다. 당시 물리학과의 지도교수는 핵물리학의 아버지로 불리는 어니스트 러더퍼드였고 졸업반을 지도하고 있었다. 러더퍼드는 채드윅을 두 종류의 다른 방사원에서 방출되는 방사능 에너지의 합을 비교 측정하는 연구에 참여시켰다. 실험의 개요는 1 그램(0.035 oz)의 라듐에서 발생하는 방사능의 정도를 측정할 수 있는가 하는 것이었다. 이 방사선량 측정 단위는 오늘날 1 퀴리로 정의된다. 러더퍼드가 제시한 방법은 올바르게 작동되지 않았지만 채드윅은 러더퍼드에게 이를 말하는 것이 두려웠고, 실험을 마치라는 압박을 받았다. 결국 채드윅은 측정 방법을 달리 고안하여 실험을 마쳤다. 채드윅의 첫 실험 논문은 러더퍼드를 공동저자로 하여 1912년 발표되었다. 채드윅은 1911년 최고 우수 등급으로 졸업하였다.
채드윅은 감마선의 측정 방법을 정립한 뒤, 다양한 기체와 액체에 대해 감마선 흡수비를 조사하였다. 이 결과를 담은 논문은 채드윅이 단독 저자로서 발표하였다. 채드윅은 1912년 석사학위를 받으면서 베이어 장학금에 선발되었다. 이듬해 1851년 박람회 장학기금은 유럽으로 보내는 유학생으로 채드윅을 선발하였다. 그는 1913년 베를린 공과 대학교에서 한스 가이거와 같이 일하게 되었다. 당시 가이거는 가이거 계수기를 막 개발한 상태였다. 가이거 계수기는 그 이전에 방사능 측정을 위해 사용되던 사진 판독 기법보다 매우 뛰어난 정확도를 가지고 있었다. 채드윅은 가이거 계수기를 이용하여 베타선 방사가 이전까지 생각되던 분절된 선 스펙트럼의 형태가 아니라 연속적이라는 사실을 발견하였다. 알버트 아인슈타인은 가이거 연구소를 방문했을 때 채드윅에게 “나는 이 둘을 각각 설명할 수는 있지만 둘을 동시에 설명할 수는 없다.”고 말하였다. 베타 붕괴의 에너지가 왜 연속적인 스펙트럼으로 나타나는가는 오랫동안 풀리지 않는 문제였다. 1930년대에 들어 페르미는 이 문제를 해결하기 위해 중성미자를 제안하였고, 1956년 프레드릭 레인즈가 실험을 통해 발견하였다. 레인즈는 이 공로로 1995년 노벨 물리학상을 받았다.
채드윅이 독일에 있을 당시 제1차 세계 대전이 일어났다. 그는 베를린 인근의 루흐레벤 수용소에 갇히게 되었지만, 마구간에 차려진 실험실에서 연구를 계속 할 수 있었다. 그는 20세기 초 만연해 있던 방사성 위약(僞藥) 가운데 하나인 방사능 치약을 구해 실험을 계속하였다. 채드윅은 제자인 찰스 드럼먼드 엘리스의 도움을 받아 인의 이온화에 대한 연구와, 이산화탄소와 아르곤의 광화학 반응 연구를 진행하였다. 1918년 11월 1차 콤피에뉴 정전 협정이 이루어져 수용소에서 풀려난 채드윅은 부모가 있는 맨체스터로 돌아갔다. 그는 자신의 연구 성과를 1851년 박람회 장학기금에 보고하였다.
러더퍼드는 채드윅이 연구를 계속할 수 있도록 맨체스터 대학교에 시간 강사 자리를 마련해 주었다. 채드윅은 실험을 통해 백금, 은, 구리 등의 핵전하량을 측정하고 이것이 원자번호와 같다는 것을 확인하였다. 핵전하량과 원자번호의 실험 오차는 1.5% 미만이었다. 1919년 4월 러더퍼드는 캠브리지 대학교 캐번디시 연구소의 이사가 되었고, 몇 달 후 채드윅 역시 러더퍼드를 따라 옮기게 되었다. 1920년 채드윅은 클러크-맥스웰 장학기금을 수여 받고 캠브리지의 곤빌 카이우스 컬리지에서 박사 과정을 시작하였다. 그는 원자번호와 원자핵의 핵력을 연구 주제로 삼았다. 1921년 6월 채드윅은 박사 학위를 수여받고 곤빌 카이우스 컬리지의 교수로 채용되었다.

리버풀 대학교

영국의 대공황으로 인해 정부는 과학 예산을 삭감하였다. 미국의 로런스가 핵물리학의 새로운 전환점이 될 것이라 확신한 사이클로트론 개발에 착수하자, 채드윅은 캐번디시 연구소에도 이를 도입하기 위해 러더퍼드를 설득해야 하였다. 러더퍼드는 핵물리학 실험을 위해 거대한 실험장치를 갖출 필요가 없다고 여기고 있었다. 채드윅 스스로도 보통은 거대과학에 비판적이었고, 특히 로런스가 무분별하게 과학의 비용을 부풀려 놓는다고 여겼다. 1933년 솔베이 회의에서 로런스가 알려지지 않은 새로운 입자의 존재를 가정하였을 때 채드윅은 실험 기구에 의해 결과가 왜곡되었다는 견해를 나타냈다. 버클리로 돌아간 로런스는 실험 결과를 다시 살펴보고는 채드윅이 옳았음을 확인하였다. 그 사이 러더퍼드와 마크 올리펀트는 캐번디시 연구소에서 중수소를 융합시켜 헬륨-3을 만들어 내었다. 이것은 또 하나의 중요한 발견이었지만 러더퍼드와 올리펀트가 사용한 입자 가속기는 당대 최고의 고가 실험 장비였다.
1935년 채드윅은 리버풀 대학교의 물리학 석좌 교수가 되었다. 리버풀은 아내의 고향이었다. 당시 리버풀 대학교의 연구소는 너무 구식이어서 여전히 직류 전원을 사용하고 있었다. 그러나 1935년 11월 채드윅이 수상한 노벨상 메달이 당도하자 모든 것이 일순간에 바뀌었다. 채드윅은 700 파운드를 들여 연구소를 새롭게 개장하였다. 예산때문에 일부 장비는 직접 제작하여야 하였다. 채드윅은 사이클로트론을 들이기 위해 대학 당국으로 부터 2,000 파운드를 지원받았고, 왕립학회로부터도 2,000 파운드를 지원받았다. 싸이클로트론 제작을 위해 캘리포니아 대학교에서 로런스와 함께 일하던 버나드 킨세이와 헤럴드 왈크가 리버풀로 왔다. 코일로 사용된 구리선은 지방의 전선 업체로부터 들여왔고, 50 톤에 달하는 자석과 진공실은 트레퍼드 파크의 전기 중공업 회사인 케트로폴리탄-비커스에서 제작하였다. 리버풀 대학교의 사이클로트론은 1939년 7월 완공되었다. 제작 비용은 모두 5,184 파운드가 소요되어 대학교와 왕립학회가 지원한 금액을 초과하였다. 초과분은 채드윅이 노벨상을 수여받으며 받은 상금으로 충당하였다. 채드윅이 받은 상금은 159,917 크로나로 환전하면 8,243 파운드 정도였다.
리버풀 대학교는 의대와 자연과학 대의 교수진이 함께 구성되어 있었기 때문에 채드윅 역시 양쪽 모두에 관여하였다. 1938년 제17대 더비 백작 에드워드 스탠리가 암에 걸리게 되자 리버풀 대학교에서 치료를 받게 되었다. 채드윅은 스탠리 백작의 치료를 총괄하게 되었고, 37 인치 사이클로트론으로 발생시킨 중성자와 이온화 방사능을 암에 조사하는 시험을 하였다. 이로서 항암치료에 방사선이 동원되게 되었다.

튜브 앨로이스와 MAUD 보고서

독일의 오토 한과 프리츠 스트라스만은 우라늄에 중성자를 조사하여 그 보다 가벼운 원소인 바륨이 생성되는 것을 관찰하였다. 그때까지 원자에 중성자를 조사하여 얻어진 새로운 원소는 늘 그 원자 보다 무겁거나 최소한 같은 질량을 가진 것이었기 때문에 이 결과는 충격적인 것이었다. 1939년 1월 리제 마이트너와 그녀의 조카 오토 프리시는 물리학회에서 이 결과가 실린 논문을 읽고는 매우 놀랐다. 마이트너와 프리시는 보어의 물방울 모형을 이용하여 중성자와 충돌한 우라늄 원자가 어떻게 비슷한 크기의 두 파편으로 쪼개질 수 있는 지를 설명하면서 이를 핵분열이라고 이름지었다. 이들은 핵분열이 일어나려면 화학 반응에 작용하는 에너지보다 몹시 큰 에너지가 투여돼야 한다는 것을 들었고 그 에너지의 크기가 약 200 MeV 에 달한다고 계산하였다. 오토 한은 이들의 논문을 보고는 중성자에 의한 핵분열이 가능할 경우 핵 연쇄 반응 역시 가능하리라 예견하였다. 피에르 졸리오, 한스 폰 할반, 레프 코바르스키와 같은 프랑스 물리학자들은 핵분열이 일어날 때 마다 하나 이상의 중성자가 새로 방출된다는 것을 입증하였다. 미국의 물리학자 존 휠러와 닐 보어는 공동 논문을 통해 우라늄 동위 원소인 우라늄-235에서 핵분열이 더욱 활발함을 밝혔다. 우라늄-235는 자연상태 우라늄 가운데 약 0.7%를 차지한다.
1939년 채드윅은 가족을 데리고 스웨덴 북부의 호수로 여행을 갔다. 그는 독일과의 전쟁은 다시는 일어나지 않으리라 생각했다. 이때문에 제2차 세계대전이 일어났다는 소식이 전해지자 큰 충격을 받았고 또 다시 수용소 생활을 하는 것을 피하기 위해 부랴부랴 영국으로 돌아가고자 했다. 스톡홀름에서 런던으로 가는 모든 비행기가 결항되었기 때문에 채드윅 가족은 부정기 여객선을 타고 귀환하여야 하였다. 채드윅이 리버풀 대학교로 돌아오자 박사후 과정에 있던 폴란드 출신 과학자 조지프 로트블랫이 당국에 의해 수용소로 보내졌다는 것을 알게 되었다. 채드윅은 로트블랫을 대학 강사로 임명하여 그가 수용소에 같히는 것을 막았다.
1939년 10월 채드윅은 당시 과학산업연구부 장관이자 물리학자였던 에드워드 빅터 애플린으로부터 원자폭탄의 실현 가능성을 묻는 편지를 받았다. 채드윅은 불가능하지는 않겠지만 많은 이론적, 실제적 문제가 있다고 신중하게 대답하였다. 채드윅은 로트블랫과 함께 산화 우라늄을 가지고 연구를 진행하였다. 1940년 3월 버밍검 대학교의 오토 프리시와 루돌프 파이얼스는 훗날 프리시-파이얼스 메모로 알려진 서신 교환을 통해 순수한 우라늄-235를 사용하면 자체적인 핵 연쇄 반응을 일으킬 수 있다는 것과 이 경우 폭발력은 우라늄-235 1 Kg(2.2 lb) 당 다이너마이트 몇 톤에 이를 것이라는 의견을 주고 받았다.
공중전과학연구위원회(Committee for the Scientific Survey of Air Warfare, CSSAW) 산하에 우라늄 폭탄을 연구하기 위한 위원회(Military Application of Uranium Detonation Committee, MAUD Committee)가 구성되었다. 마우드 위원회는 조지 패짓 톰슨을 위원장으로 하고 채드윅, 마크 올리펀트, 존 콕크로프, 필립 버튼 문 등이 참여하였다. 다른 팀이 농축 우라늄 제조 기술을 연구하는 동안 채드윅의 팀은 우라늄-235의 핵 반응면의 크기를 결정하는데 주력하였다. 1941년 4월에 이르러 채드윅 팀은 우라늄-235의 임계 질량을 최대 8 Kg(18 lb)으로 확정하였다. 채드윅 팀이 이러한 연구를 하는 사이 리버풀은 나치 독일의 루프트바페로부터 폭격을 받았다. 리버풀 대학교 연구소는 등화관제를 위해 두꺼운 종이로 창문을 가리고 연구를 계속하였다.
1941년 7월 채드윅은 MAUD 보고서의 최종 검토를 끝냈고, 10월에 버니바 부시의 명의로 프랭클린 D. 루스벨트에게 보고되었다. 보고서는 미국 정부가 원자 폭탄을 제작하는데 드는 비용은 몇 백만 달러 수준일 것이라고 보았다. 미국은 조지 브랙스튼 퍼그램과 해럴드 유리를 영국에 파견하여 오늘날 튜브 앨로이스로 알려진 핵무기 개발 계획의 진척 정도를 확인하고자 했다. 채드윅은 두 사람에게 “아직 작동하는 폭탄이 있는 건 아니지만, 90 퍼센트 정도는 되었다고 할 수 있다.”라고 대답했다.
영국의 전기 작가 그래햄 파멜로는 그의 전기에서 체드윅이 처칠에게 원자 폭탄을 안겨주려고 누구보다 노력한 과학자이며, 거의 임계점에 도달해 있었다고 적고 있다. 채드윅은 계속되는 노심초사로 잠을 제대로 잘 수 없을 지경이었다. 후일 그는 “당시 핵폭탄은 그냥 가능성이 있는 정도가 아니라, 필연적으로 만들어지게 될 것이었다. 빠르던 늦던 이 아이디어는 결국 특별한 몇몇만이 할 수 있는 것이 아니게 될 것이었다. 모두가 오랫 동안 생각만 하는 사이 몇몇 국가는 그것을 행동으로 옮긴 것이다.”라고 말하였다. 헤르만 본디는 채드윅의 이러한 입장을 적극 지지하였지만, 당대 영국 물리학계의 좌장이었던 러더퍼드는 채드윅이 “앞만 내다보고” 핵폭탄의 가능성에 압도되어 다른 생각을 하지 못하고 있다고 염려하였다.

맨해튼 계획

나치 독일의 공급이 격화되자 채드윅은 정부 피난 계획에 따라 쌍둥이 자녀를 캐나다로 피신시켰다. 튜부 앨로이스 역시 캐나다로 이전하게 되었을 때 채드윅은 우라늄 동위원소 분리에는 영국이 더 적합한 장소일 것이란 생각으로 망설였다. 1942년 당시 영국은 핵폭탄 개발에 1백만 파운드를 초과하는 거금을 쏟아붇고 있었지만 충분한 양의 우라늄을 확보하지는 못한 상태였다. 게다가 원하는 만큼의 우라늄을 확보하기 위해선 25백만 파운드를 더 투입해야 할 상황이었다. 결국 우라늄 동위원소 분리와 핵폭탄 제조는 미국이 담당하게 되었다. 맨해튼 계획을 진행한 미국은 채드윅을 비롯한 영국 물리학자를 적극 활용하였지만, 핵폭탄 제조를 미국이 주도하게 되면서 영국의 위상은 다소 낮아지게 되었다. 미국과 영국은 퀘벡 협정을 채결하여 맨해튼 계획을 위해 상호 협력하기로 하였다. 이 협정은 미국과 영국이 협력하여 핵폭탄을 개발하되 이렇게 개발된 무기를 서로에게는 절대로 사용하지 않으며 제3국에 정보를 제공하지도 않을 것을 약속한 비밀조약이다.
1943년 채드윅은 맨해튼 계획이 진행되고 있는 현장을 방문하였다. 플루토늄을 사용하는 핸포드는 방문에서 제외되었다. 채드윅은 맨해튼 계획을 총괄하던 레슬리 그로브스로부터 모든 연구에 접근할 권한을 얻은 유일한 사람이었다. 한편 채드윅은 K-25 플랜트의 기체확산법 공정을 보면서 자신이 시도했던 우라늄 농축 방법이 매우 비효율적이었다는 것을 깨달았다. 1943년 채드윅은 가족들과 함께 뉴멕시코의 로스앨러모스로 이사하였다. 로스앨러모스는 리틀보이를 설계, 제작한 곳이다. 채드윅은 보안을 위해 제임스 채피(James Chaffee)라는 이름으로 활동하였다.
채드윅은 미국은 영국의 도움 없이도 핵폭탄을 제조할 수 있을 것으로 보았다. 그러나, 레슬리 글로브스는 보다 효과적이고 빠른 개발 진척을 위해 채드윅의 협력을 요청하였다. 튜브 앨로이스가 맨해튼 계획의 일환으로 진행되는 동안 관련된 영국 과학자들은 보안 누설을 방지하기 위해 모두 다니던 직장에서 물러나 튜브 앨로이스에 전념하였다. 영국 과학자 팀이 합류한 로스앨러모스 연구소는 결국 원자폭탄 제작에 성공하였다.

전쟁 이후

2차 세계대전이 끝나고 채드윅은 잠시 동안 원자력 에너지 자문위원회와 국제연합원자력위원회에서 활동하였다. 그러나, 패트릭 블래킷이 영국의 독자적인 핵무기 보유를 주장한다는 이유로 채드윅을 비판하자 자리에서 물러났다. 1946년 채드윅은 영국으로 귀환하여 전쟁으로 중단되었던 연구를 계속하였다. 채드윅은 1948년 캠브리지 대학교 곤빌 카이우스 컬리지의 학장이 되었다. 1974년 7월 24일 사망하였다.