프랜시스 윌리엄 애스턴: 원자의 무게를 잰 사람

1919년 캐번디시 연구소에서 사진 건판이 현상액에서 나왔을 때, 화학이 단 하나의 흐릿한 얼룩을 약속했던 자리에 선명한 어두운 선들이 나타났습니다. 이 선들은 튜브 속의 원소가 단일 물질이 아니라 각각 고유한 무게를 가진 여러 물질의 혼합물임을 의미했습니다. 즉, 모든 교과서에 적힌 깔끔한 원자량은 집단 전체의 평균값이었습니다. 이 기기를 만든 남자는 20대를 맥주를 분석하며 보냈습니다. 3년 만에 그는 노벨상을 받았습니다.

양조장 통에서 음극선까지

애스턴은 1877년 9월 1일, 훗날 버밍엄에 합병된 하본(Harborne)이라는 마을에서 윌리엄 애스턴(William Aston)과 패니 샬럿 홀리스(Fanny Charlotte Hollis) 사이의 셋째이자 둘째 아들로 태어났습니다. 그는 하본 교구 학교를 거쳐 우스터셔의 몰번 칼리지(Malvern College)에서 기숙 생활을 했고, 1893년부터는 메이슨 칼리지(Mason College, 당시 런던 대학교의 외부 대학)에 입학하여 존 헨리 포인팅(John Henry Poynting)에게 물리학을, 프랭클랜드(Frankland)와 틸든(Tilden)에게 화학을 배웠습니다. 1896년부터 그는 아버지 집의 개인 실험실에서 연구를 수행하며 타르타르산 화합물의 광학적 성질을 연구했습니다.

그 후 현대 물리학자의 이력서에는 다소 기이하게 보일 만한 우회로가 있었습니다. 애스턴은 버밍엄의 양조 학교에서 발효 화학을 공부했고 1900년부터 1903년까지 W. 버틀러 앤 컴퍼니(W. Butler & Co.) 양조장에서 일했습니다. 산업 현장에서 보낸 이 시간은 헛되지 않았습니다. 양조는 정확한 측정과 꼼꼼한 기술을 요구하는 학문이며, 애스턴은 유능한 실무자가 되어 유리와 전선, 진공 상태에서 이론가들이 실패한 결과를 이끌어낼 수 있는 실험가로 성장했습니다.

그는 1903년 포인팅의 조교로 버밍엄에 돌아왔고, 대학 장학금을 받아 가스가 채워진 튜브를 통과하는 전류를 조사하기 시작했습니다. 이곳에서의 작업은 여전히 그의 이름을 딴 '애스턴 암부(Aston dark space)'라는 현상을 낳았습니다. 그는 1910년에 이학사 학위를, 1914년에 이학 박사 학위를 받았습니다. 아버지의 죽음과 1908년 세계 일주 이후, 그는 1909년 버밍엄 대학교의 강사로 임명되었습니다.

캐번디시와 양극선

1910년, J. J. 톰슨(J. J. Thomson)이 그를 케임브리지로 초청했습니다. 톰슨의 음극선 연구는 이미 전자를 발견한 상태였으며, 그는 1886년 오이겐 골드슈타인(Eugen Goldstein)이 관찰하여 '카날슈트랄렌(Kanalstrahlen)'이라고 부른 양전하 빔으로 연구 대상을 옮겼습니다. 빌헬름 빈(Wilhelm Wien)은 1908년 자기 편향과 전기장을 결합하면 전하 대 질량 비율에 따라 이온을 분류할 수 있음을 증명했습니다. 애스턴은 그 문제의 한가운데로 뛰어들었고 평생을 그 연구에 바쳤습니다.

1912년까지 케임브리지의 장치는 네온에서 이상한 징후를 보였습니다. 흔적이 질량 20과 22 부근에서 두 개로 갈라진 것입니다. 당시 통용되던 네온의 원자량 20.2는 단일 원자 종으로는 설명할 수 없지만 혼합물, 즉 대략 네온-20 9 대 네온-22 1의 비율이라면 완벽하게 설명되었습니다. 애스턴은 이 무거운 변종을 신지학 문헌인 《오컬트 화학(Occult Chemistry)》에서 따온 '메타 네온(meta-neon)'이라고 불렀습니다. 직관은 옳았지만 단어의 출처는 매우 이질적이었습니다.

제1차 세계대전이 모든 것을 중단시켰습니다. 애스턴은 펀버러(Farnborough)의 왕립 항공 연구소에서 기술 조수로 근무하며 항공 코팅제에 관한 연구를 수행했습니다. 진공 상태의 이온과는 거리가 먼 연구였습니다.

기기

그는 캐번디시로 돌아와 기계를 완성했습니다. 첫 번째 질량 분석계는 1919년에 보고되었습니다. 원리는 우아했습니다. 전기장이 이온 빔을 전기장과 자기장의 조합으로 통과시키는데, 가벼운 이온이 무거운 이온보다 더 날카롭게 휘어지도록 설계되어 원소의 전체 가족이 사진 건판 위에 일련의 개별 표시로 기록되었습니다. 이 설계는 같은 질량이지만 속도가 다른 이온들을 공통 초점에 모았기 때문에, 표시들이 흐릿하지 않고 선으로 나타났습니다. 이것이 최초의 섹터 필드 질량 분석기였으며, 해상도가 곧 핵심이었습니다.

애스턴은 이후 이를 두 번 더 수행했으며 매번 이전보다 더 정밀한 기기를 제작했습니다. 결과는 쏟아져 나왔습니다. 6년 동안 50개 이상의 동위 원소를 발견했고, 경력 전체에 걸쳐 212개의 자연 발생 동위 원소를 찾아냈습니다. 그는 1922년에 152쪽 분량의 간결한 저서 《동위 원소(Isotopes)》를 출판했고, 1933년에는 확장판인 《질량 스펙트럼과 동위 원소(Mass-Spectra and Isotopes)》를 펴냈습니다.

정수 법칙

건판에서는 놀라운 범위의 일반화가 도출되었습니다. 산소 동위 원소의 질량을 16으로 잡고, 애스턴은 다른 모든 동위 원소의 질량이 거의 정수라는 사실을 관찰했습니다. '거의'라는 단어 속에 물리학의 비밀이 숨겨져 있었습니다. 수소는 규칙에서 요구하는 것보다 약 1% 더 무거웠는데, 그 차이가 바로 핵에너지 회계의 핵심입니다. 1936년까지 애스턴은 사라진 질량이 무엇을 할 수 있는지에 대해 대중 앞에서 추측하고 있었습니다.

왕립 학회는 1921년에 그를 회원으로 선출했으며, 같은 해에 그는 국제 원자량 위원회에 합류했습니다. 1922년 노벨 화학상은 "질량 분석계를 통해 많은 비방사성 원소에서 동위 원소를 발견하고 정수 법칙을 제창한 공로"로 수여되었습니다. 1923년에는 파테르노 메달(Paterno Medal)을 받았습니다. 그는 케임브리지 트리니티 칼리지의 회원이었습니다.

개기일식 경로를 쫓는 운동선수

사적인 애스턴은 거의 믿기 어려울 정도입니다. 그는 결혼하지 않았고, 그 빈 공간을 활동으로 채웠습니다. 스위스와 노르웨이를 정기적으로 방문하여 크로스컨트리 스키와 스케이트를 즐겼고, 전쟁 중에는 등산을 배웠습니다. 1902년에는 자신의 내연 기관을 직접 제작하여 1903년 아일랜드에서 열린 고든 베넷 자동차 경주(Gordon Bennett motor race)에 출전했습니다. 그는 수영과 골프를 즐겼으며 에른스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)와 자주 함께 했고, 영국, 웨일스, 아일랜드에서 테니스 상을 받았으며 1909년 호놀룰루에서 서핑을 배웠습니다. 음악가 집안 출신인 그는 케임브리지 콘서트에서 연주할 만큼 피아노, 바이올린, 첼로 실력이 뛰어났습니다.

그는 또한 천문학적 열정을 가진 진지한 사진가였으며, 전 세계를 누비며 개기일식을 쫓았습니다. 1925년 벤쾨벤(Benkoeben), 1932년 수마트라, 같은 해 8월 캐나다 마고그(Magog), 1936년 홋카이도 카미샤리(Kamishari) 등이 그곳입니다.

왜 프랜시스가 천재라 불리는가

애스턴의 명성은 유행을 타지 않는 사고방식, 즉 '기기적 상상력'에 기반합니다. 그는 정수 법칙을 이론에서 도출하지 않았습니다. 그는 아무도 만들 수 없는 측정이 가능한 기계를 만들고, 그것을 212번 반복하여 건판에서 패턴을 읽어냈습니다. 노벨상 평가서는 이 점을 정확히 짚어내고 있으며 문자 그대로 받아들일 가치가 있습니다. 즉 "질량 분석계를 통한 그의 발견"과 별도로 "정수 법칙의 제창"을 기리는 것입니다. 두 가지 업적이 명시된 이유는 실제로 두 가지 업적이 존재했기 때문이며, 두 번째 업적은 첫 번째가 충분히 훌륭했기에 가능했습니다. 그의 재능은 흐릿한 흔적이 자연의 사실이 아니라 엔지니어링 문제임을 깨닫고, 흐릿함이 정보로 해결될 때까지 정교화한 데 있었습니다.

반론 또한 실재합니다. 그는 이 기술의 창시자가 아닙니다. 1886년 골드슈타인이 양극선을 발견했고, 1908년 빈이 그것을 편향시키는 방법을 보여주었으며, 톰슨은 이미 네온 실험 결과를 손에 쥐고 있었습니다. 애스턴은 기술을 창시하기보다 계보를 완성했습니다. 그는 동위 원소가 '왜' 존재하는지에 대한 설명을 제시하지 않았으며, 초기 해석적 판단은 부족할 수 있었습니다. 신지학 문헌의 이름을 따서 '메타 네온'이라고 동위 원소를 명명한 것은 이론적 제1원리에서 출발한 것이 아니었습니다. 동시대 그 누구도 그를 천재라고 기록한 자료는 없습니다. 사람들은 그의 발견과 법칙을 칭찬했을 뿐입니다. 그것이 정직한 평가입니다. 애스턴이 가졌던 것은 개념적 대담함이 아니라 25년간 흔들림 없이 유지한, 숫자의 신뢰성에 대한 인간 이상의 기준이었습니다.

유산

그는 1945년 11월 20일 케임브리지에서 68세의 나이로 세상을 떠났습니다. 그가 제창한 법칙이 산술적으로 가능하게 만든 핵 시대의 첫해였습니다. 병원, 정유 공장, 지질학과에 있는 모든 질량 분석기는 그가 캐번디시에서 조립한 기계의 후손입니다. 달에는 애스턴의 이름을 딴 분화구가 있고, 영국 질량 분석 학회는 매년 애스턴 메달을 수여합니다. 양조장 화학자는 원자의 무게가 실제로 얼마인지에 대한 마지막 답을 내놓았습니다.