제임스 채드윅
제임스 채드윅 경(, , FRS, 1891년 10월 20일 ~ 1974년 7월 24일)은 중성자를 발견한 공로로 노벨 물리학상을 받은 영국의 물리학자이다. 1941년 마우드 보고서(MAUD, Military Application of Uranium Detonation, 우라늄 폭발의 군사적 이용)를 작성하였고, 미국 정부의 지원을 받아 핵무기 개발의 핵심 인물로서 활동하였다. 채드윅은 제2차 세계 대전 동안 맨해튼 계획의 영국 팀 수장이었다. 1945년 물리학 연구 공로로 기사 작위를 받았다.
맨체스터 빅토리아 대학교에서 “핵물리학의 아버지”로 불리는 어니스트 러더퍼드의 지도를 받으며 공부하였고 1911년 졸업하였다. 졸업한 이후에도 러더퍼드 아래에서 연구를 계속했으며 1913년 석사 학위를 받았다. 같은 해 채드윅은 왕립 1851년 박람회 위원회로부터 장학금을 받았다. 그는 베를린의 한스 가이거 밑에서 베타 방사선을 연구하는 일에 발탁되었다. 채드윅은 당시 막 개발된 가이거 계수기를 이용하여 베타 붕괴에 의해 발생하는 베타 방사선이 당시 까지 생각되었던 것처럼 분절된 선 스펙트럼이 아니라 연속 스펙트럼이라는 것을 관측하여 입증하였다. 유럽에 제1차 세계 대전이 일어났을 때에도 그는 베를린의 루흐레벤 수용소에 남아 연구를 계속하였다.
전쟁이 끝나자 채드윅은 러더퍼드를 따라 케임브리지 대학교의 캐번디시 연구소로 갔다. 그곳에서 러더퍼드를 지도교수로 하여 1921년 6월 박사학위를 취득하였고, 이후에도 계속 카벤디시 연구소에서 근무하였다. 채드윅은 1932년 중성자를 발견하였다.
채드윅은 제2차 세계 대전 동안 원자폭탄을 개발하기 위한 튜브 앨로이스 계획에 참여하였다. 그동안 그와 리버풀 연구소는 나치 독일의 루프트바페가 먼저 개발을 완료하지 않을까 노심초사하였다. 퀘벡 협정으로 튜브 알로이스 계획은 미국의 맨해튼 계획에 합류되었다. 그는 로스앨러모스 연구소에서 영국 팀의 수장으로 활동하였고, 워싱턴 D.C.의 프로젝트 책임자 레슬리 그로브스의 전폭적인 지지를 얻었다. 이러한 공로로 1945년 1월 신년 서훈에서 기사 작위를 받았다. 1945년 7월, 채드윅은 트리니티 실험을 지켜봤고 전쟁 이후 국제 연합 원자력 위원회의 영국측 과학 고문으로 활동하였다. 1948년 곤빌 카이우스 컬리지의 학장으로 취임하였고 1959년 퇴임하였다. 1974년 7월 24일에 사망하였다.
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.
1923년 클러크-맥스웰 장학금 지급이 종료되었고, 채드윅은 표트르 레오니도비치 카피차의 자리를 이어 받았다. 영국의 과학산업부 장관이었던 윌리엄 맥코믹은 채드윅을 러더퍼드의 보좌역으로 임명하였다. 이에 따라 채드윅은 러더퍼드가 박사과정 학생을 선발하는 것을 도왔다. 이 기간에 선발된 존 콕크로프트, 노먼 피더, 마크 올리펀트는 이후 채드윅의 절친한 친구가 되었다. 많은 학생들이 무엇을 연구해야 할 지 갈피를 잡지 못했기 때문에, 러더퍼드와 채드윅은 연구 주제를 제안해 주었고, 채드윅은 연구소가 발행하는 모든 논문을 편집하였다.
1925년 채드윅은 주식중계인의 딸이었던 애일린 스테워트브라운을 만나 결혼하였다. 1927년 쌍둥이 딸 조안나와 주디스가 태어났다.
채드윅은 핵물리학의 기초에 대한 연구를 계속하였다. 1925년 당시 물리학자들은 제이만 효과를 설명하기 위해 스핀 개념을 도입하였지만, 당시의 원자 모형에서는 핵이 양성자로 이루어져 있다고 보았기 때문에 모순이 발생했다. 당시의 원자모형에 따르면 질소는 14 개의 양성자와 7 개의전자로 구성되어 있어야 한다. 이러한 설명은 질소의 질량과 전하에 대해서는 들어맞을 수 있어도 스핀에 대한 설명은 불가능했다. 훗날 채드윅이 중성자를 발견함으로써 이러한 모순은 해결되었다. 즉, 질소는 7개의 양성자와 7개의 중성자로 이루어진 핵과 7개의 전자를 갖고 있다.
1928년 케임브리지에서 열린 베타 입자와 감마선 학술회의에서 채드윅은 가이거를 다시 만났다. 가이거는 그의 박사후 과정 학생이었던 발터 뮐러가 개량시킨 새로운 가이거 계수기를 가지고 왔다. 전쟁 이후 채드윅은 섬광 기술이 적용되어 관찰이 더욱 용이하게 된 이 새로운 가이거-뮐러 계수기를 사용해 본 적이 없었다. 가이거-뮐러 계수기의 가장 큰 단점은 알파 입자, 베타 붕괴, 감마선, 그리고 라듐을 구분없이 모두 검출한다는 것이었다. 이 때문에 채드윅이 염두에 두고 있던 실험에 적합하지는 않았다. 한편 리제 마이트너가 알파 입자 방출기를 위한 폴로늄 2 밀리퀴리(약 0.5 마이크로그램)을 보내왔다.
독일에서 발터 보테와 그의 제자 헤버트 베커가 폴로늄에서 방사되는 알파 입자를 피폭시킨 베릴륨의 방사선을 관찰하여 특이한 방사 현상을 관찰하였다. 채드윅과 그의 제자이자 1851년 박람회 장학금 수여자인 오스트레일리아 출신의 휴즈 웹스터는 보테와 베커의 실험을 재현하였다. 채드윅은 이 현상이 몇 년전 자신과 러더퍼드가 세웠던 전기적으로 중성인 핵입자 가설을 뒷받침하는 증거로 보았다. 1932년 1월 노먼 피더는 또 다른 놀라운 실험 결과를 알려주었다. 프레데리크 졸리오퀴리와 이렌 졸리오퀴리 부부는 폴로늄에서 방사되는 알파선을 베릴륨에 충돌시킨 뒤 여기서 발생하는 특이한 방사선을 파라핀 왁스에 쏘였다. 그 결과 파라핀에서 양성자가 검출되자 졸리오퀴리 부부는 이 방사능을 감마선이라고 여겼다. 하지만 러더퍼드와 채드윅은 양성자가 너무 무거운 입자라서 감마선과 같은 복사에너지만으로는 그런 현상이 나타날 수 없다고 보았고, 전기적으로 중성이면서 보다 작은 입자가 충돌하였다면 이러한 현상이 가능할 것이라고 보았다. 이탈리아의 이론물리학자 에토레 마요라나 역시 졸리오퀴리 부부의 실험 결과를 보고 같은 결론에 도달했다. 졸리오부부는 중성자를 발견했지만 그것이 무엇인지 알 지는 못한 것이다.
채드윅은 다른 모든 일을 중단하고 중성자의 존재를 증명하는 실험에 매달렸다. 그는 폴로늄 소스와 베릴륨 타겟을 하나의 실린더에 구성한 장치를 만들어 여기서 나오는 방사선을 파라핀 왁스와 같은 물질에 투사하였다. 그 결과 나오는 양성자를 이온화 챔버에 모으고 오실로스코프로 관찰하였다. 이러한 실험을 시작한 지 2주가 지난 1932년 2월 채드윅은 《네이처》에 〈중성자의 존재 가능성〉을 기고하였고, 5월에는 《왕립학회보》에 〈중성자의 존재〉를 기고하였다. 채드윅의 발견은 핵물리학의 이정표가 되었으며 로버트 베이처와 에드워드 콘돈은 양성자와 중성자로 이루어져 있는 새로운 원자핵 모형을 도입하여 질소 원자핵의 스핀 문제를 해결하였다.
이론물리학자인 닐스 보어와 베르너 하이젠베르크는 중성자가 원자핵을 구성하는 핵자의 일부이며 양성자-전자의 전기적 상호작용에 관여하지 않는다고 확신하였다. 채드윅은 중성자의 질량을 1.0067 u로, 양성자-전자 쌍의 질량을 1.0078 u로, 핵자의 결합 에너지를 2 MeV로 계산하였다.
오스트리아에서 나치 독일을 피해 캐번디시 연구소에 와 있던 마우리스 골드하버는 중수소가 감마선에 의해 광붕괴 되면 중성자를 방출할 것이라고 제안하였다.