오토 한: 원자를 분열시키고 후회한 화학자

"우리는 우리의 라듐 동위원소가 라듐처럼 행동하지 않고 바륨처럼 행동한다는 끔찍한 결론에 점점 더 가까워지고 있다." 오토 한은 1938년 12월 19일, 망명 중이던 전 파트너 리제 마이트너에게 자신의 신중한 화학 실험 결과를 믿을 수 없다는 듯 이렇게 적었다. "혹시 환상적인 설명이라도 떠오르는가?" 그녀는 떠올렸다. 우라늄이 둘로 쪼개지고 있었던 것이다. 한은 남은 평생을 핵분열의 발견자이자 그 공로로 유일하게 노벨상을 받은 인물로, 그리고 점점 더 공개적으로 핵무기의 가장 강력한 반대자 중 한 명으로 살아가게 된다.

새로운 원소를 찾는 후각

1879년 프랑크푸르트의 부유한 유리 세공업자 가정에서 태어난 한은 건축학을 공부하라는 아버지의 뜻을 거스르고 화학의 길을 택해 집안 세탁실에서 초기 실험을 수행했다. 1901년 마르부르크에서 박사 학위를 받은 후, 1904년 런던 유니버시티 칼리지의 윌리엄 램지 밑에서 박사후 연구원으로 일하며 라듐 염을 다루던 중 우연히 첫 번째 실제 발견인 방사성 토륨을 찾아냈다. 램지는 그를 맥길 대학교의 어니스트 러더퍼드 연구실로 보냈고, 러더퍼드는 "한은 새로운 원소를 발견하는 특별한 후각이 있다"고 평했다. 한은 이 칭찬을 반복적으로 증명하며 이후 몇 년 동안 방사성 악티늄, 메소토륨, 이오늄을 분리해냈고, 한때는 베를린의 개조된 목공소에서 커피 캔으로 만든 검전기를 사용해 연구하기도 했다.

리제 마이트너와의 30년

1907년 한은 오스트리아 물리학자 리제 마이트너와 과학적 파트너십을 시작했으며, 이는 30년간 지속되어 방사화학을 재편하게 된다. 여성으로서 대학 본관 출입이 금지되었던 마이트너는 한동안 별도의 출입구를 통해 개조된 목공소에서 일했다. 두 사람은 공동으로 방사성 반동을 발견했고, 1918년에는 주기율표에서 토륨과 우라늄 사이의 오랫동안 찾던 미싱 링크인 프로탁티늄을 분리해냈다. 이 업적으로 막스 플랑크는 1920년대 내내 여러 차례 그들을 노벨상 후보로 추천했으나 성공하지 못했다. 한은 1921년에 핵 이성질체도 확인했으며, 카를 프리드리히 폰 바이츠제커가 1936년까지 이론적으로 해결하지 못했던 미해결 수수께끼를 기술했다. 1920년대와 1930년대에 걸쳐 그는 거의 만장일치로 방사화학이라는 학문의 아버지로 자리 잡았고, 표준 교과서인 Applied Radiochemistry를 출판하며 핵화학자 세대를 양성했다.

핵분열

1932년 제임스 채드윅의 중성자 발견과 엔리코 페르미의 우라늄 중성자 충돌 실험 이후, 한, 마이트너, 화학자 프리츠 슈트라스만은 충돌로 생성된 새로운 초우라늄 원소(우라늄보다 무겁고 당혹스럽고 일관성 없는 반감기를 가진 원자)를 쫓는 데 수년을 보냈다. 1938년 3월, 안슐루스(독일의 오스트리아 병합)로 마이트너는 오스트리아 시민권을 박탈당하고 거의 빈손으로 스웨덴으로 망명해야 했다. 한은 그녀가 떠날 때 어머니에게 물려받은 다이아몬드 반지를 그녀의 손에 쥐여주었다. 두 사람은 계속 편지를 주고받았다. 1938년 12월, 한과 슈트라스만은 무거울 것으로 예상했던 새로운 생성물이 화학적으로 정확히 바륨(우라늄 질량의 약 절반인 훨씬 가벼운 원소)처럼 행동한다는 것을 발견했다. 신중한 화학자로서 혁명적인 물리적 결론을 내리는 데 불안을 느꼈던 한은 이론이 아닌 데이터를 마이트너에게 보냈다. 크리스마스 휴가 중 쿵엘브 근처 눈길을 조카 오토 프리슈와 함께 걸으며 마이트너는 물리학을 정립했다. 우라늄 핵은 작은 파편을 방출하는 것이 아니라 거의 절반으로 쪼개지고 있으며, 아인슈타인의 질량-에너지 등가성에 의해 예측되는 막대한 에너지를 방출하고 있다는 것이었다. 프리슈는 이를 설명하기 위해 생물학에서 '핵분열(fission)'이라는 단어를 빌려왔다. 한과 슈트라스만이 1939년 1월 '우라늄 분열(Uranspaltung)'을 보고하고 연쇄 반응을 유지할 수 있는 추가 중성자를 예측한 논문은 몇 달 안에 핵 시대를 열었으며, 같은 해 3월 프레데리크 졸리오의 파리 연구실이 연쇄 반응의 가능성을 확인했다.

전쟁, 팜 홀, 그리고 늦은 수상

제1차 세계대전 중 프리츠 하버 휘하의 화학전 부대에 징집되었던 한은 독가스 실험에서 살아남았고, 이후 제2차 세계대전 중에는 독일의 정체된 핵 프로그램에 참여하면서도 유대계 및 유대계 혈통 동료들을 박해로부터 보호하기 위해 조용히 개입했다. 1945년 4월 연합군 알소스 미션 팀에 체포되어 다른 9명의 독일 물리학자와 함께 영국 팜 홀에 억류되었고, 그들의 대화는 비밀리에 녹음되었다. 1945년 8월 히로시마 원폭 투하를 알리는 BBC 보도를 들은 한은 동료들의 증언에 따르면 완전히 무너졌으며, 자신의 발견이 무엇을 가능하게 했는지 알게 되었다. 그는 나중에 독일 프로그램이 먼저 폭탄을 제조하는 데 실패해서 다행이라고 말했다. 3개월 후, 그는 공식 통지가 아닌 영국 신문을 통해 1944년 노벨 화학상을 수상했다는 사실을 알게 되었다. 이는 스웨덴 아카데미가 나치 법 하에서 독일인이 노벨상을 받는 것이 금지되었던 기간 동안 보류했던 상이었다. 그는 1946년 12월이 되어서야 스톡홀름으로 가서 상을 받을 수 있었고, 중요한 화학적 작업을 수행했음에도 공식적인 인정을 받지 못한 슈트라스만에게 상금의 일부를 나누어 주었다. 이 결정은 많은 역사학자와 과학자들이 마이트너도 함께 수상했어야 한다고 믿는 상을 작게나마 바로잡으려는 시도로 널리 해석되고 있다.

독일 과학 재건, 그리고 폭탄 거부

1946년부터 한은 독일 과학의 전후 재건을 주도했다. 처음에는 오명을 쓴 카이저 빌헬름 협회의 마지막 회장으로, 그 후에는 후신인 막스 플랑크 협회의 초대 회장으로 1960년까지 재직하며 독일의 연구 자금을 약 4배로 늘리는 데 기여했다. 동시에 그는 핵무기에 대한 솔직한 반대 운동가가 되어, 그 사용을 자신이 발견에 기여한 물리학의 "오용, 혹은 범죄"라고 불렀다. 1955년 수십 명의 노벨상 수상자가 핵전쟁에 경고를 보내는 '마이나우 선언'을 조직했고, 1957년에는 18명의 주요 독일 과학자가 서독 군대의 핵무장을 돕기를 공개적으로 거부하는 '괴팅겐 선언'을 공동 집필했다. 이 입장은 콘라트 아데나워 총리의 국방부와 정면으로 충돌하게 만들었다.

오토가 천재라 불리는 이유

한의 명성은 이론적 천재성이 아니라 60년간 수십 개의 새로운 동위 원소를 발견해낸 실천적 발견에 대한 타의 추종을 불허하는 직관이라는 독특한 종류의 천재성에 기반한다. 러더퍼드가 "새로운 원소를 찾는 특별한 후각이 있다"고 한 말은 아첨이라기보다 정확한 전문적 평가였다. 한은 1905년 방사성 토륨부터 1938년 핵분열 자체에 이르기까지 수학적 예측이 아닌 고된 화학적 분리를 사용하여 다른 사람들이 놓친 것을 계속해서 발견해냈다.

정직한 반론은 그의 이야기에서 부수적인 것이 아니라 핵심이다. 한이 발견한 것(왜 우라늄이 분열하고 무엇이 그것을 가능하게 했는지)을 설명하는 물리학은 한이 당혹스러운 결과를 보낸 며칠 후 망명지에서 일하던 리제 마이트너와 오토 프리슈에게서 나왔다. 한 자신도 인정했듯이 그는 그 결론을 도출할 수 없었고 그녀가 필요했다. 핵분열 노벨상이 한에게만 돌아가고 마이트너와 슈트라스만이 인정받지 못한 것은 오늘날 과학사학자들에 의해 20세기 가장 명백한 노벨상 불공정 사례 중 하나로 널리 간주된다. 이는 누가 본질적인 사고를 했는지에 대한 공정한 평가가 아니라 제도적 관습이 누구를 천재로 부를지 결정한 사례이다.

유산

한은 1968년에 사망했다. 말년에는 자신의 발견이 무기가 아닌 의학 및 에너지에 기여하도록 보장하기 위해 노력했으나 그 야망은 부분적으로만 실현되었다. 105번 원소 하늄은 미국 명명 분쟁 중 잠시 그의 이름을 땄으나 이후 두브늄으로 결정되었다. 오토 한 평화 메달과 그의 이름을 딴 독일 연구선 및 연구소들은 핵분열이 불러일으킨 것에 대해 책임을 지려 했던 그의 삶을 지금도 보여주고 있다.