제임스 채드윅 중성자 발견, 원자 무게의 미스터리를 풀어낸 이야기

과학자들은 원자의 무게가 왜 맞지 않는지 미칠 것 같았다

만약 시험에서 1+1을 했는데 답이 자꾸 2.5가 나온다면 어떨 것 같아요? 계산기를 두드려도, 손으로 풀어봐도 답은 똑같이 2.5. 머리가 터질 것 같죠? 1920년대 과학자들이 딱 그 상황이었어요.

그때 과학자들은 원자 안에 '양성자'라는 아주 작은 알갱이가 있다는 걸 알고 있었어요. 양성자는 플러스(+) 전기를 띠는 입자인데, 원자의 무게를 만드는 핵심이라고 생각했죠. 문제는 이거예요. 예를 들어 헬륨 원자핵에는 양성자가 2개 들어 있어요. 그런데 실제로 헬륨의 무게를 재 보면 양성자 2개 무게의 거의 두 배가 나오는 거예요!

양성자 2개밖에 없는데 무게는 4인분이라니, 나머지 무게는 대체 어디서 온 걸까요? 마치 급식판에 반찬이 두 가지뿐인데 저울에 올리면 네 가지 무게가 나오는 것과 같았어요. 과학자들은 "분명 뭔가 보이지 않는 게 숨어 있다"고 의심했지만, 아무도 그 정체를 밝혀내지 못하고 있었어요. 바로 그때, 한 끈질긴 과학자가 이 미스터리에 도전장을 내밀었어요.

전기도 없고 빛도 없는, 완전히 투명한 입자가 숨어 있었다

도전장을 내민 사람은 영국의 물리학자 제임스 채드윅이에요. 그는 스승인 어니스트 러더퍼드가 "원자핵 안에 전기를 띠지 않는 입자가 있을 것"이라고 던진 힌트를 10년 넘게 붙잡고 있었어요. 보통 과학자들은 입자를 찾을 때 전기의 힘을 이용해요. 플러스 전기를 띤 입자는 자석처럼 마이너스 쪽으로 휘거든요. 그런데 전기가 아예 없는 입자라면? 자석을 갖다 대도, 전기장을 걸어도 꿈쩍도 안 해요. 게임에서 투명 모드를 켠 캐릭터처럼 어떤 탐지기에도 안 걸리는 거죠.

1932년, 채드윅은 기발한 우회 작전을 썼어요. 다른 과학자들이 베릴륨이라는 금속에 입자를 쏘면 정체불명의 강한 방사선이 나온다는 실험 결과를 발표했는데, 채드윅은 이 방사선이 빛이 아니라 '무게가 있는 무언가'라고 직감했어요. 그는 이 방사선을 파라핀 왁스에 쏘아서 튕겨 나오는 양성자의 속도를 정밀하게 측정했어요. 당구공이 같은 무게의 공에 부딪혀야 가장 세게 튕기는 원리와 똑같았죠.

결과는 놀라웠어요. 튕겨 나온 양성자의 속도를 역추적하니, 부딪힌 입자의 무게가 양성자와 거의 같고 전기는 제로였어요. 채드윅은 이 유령 같은 입자에 '중성자(neutron)'라는 이름을 붙였어요. 전기적으로 중성(neutral)이니까요. 드디어 원자의 숨겨진 무게의 주인이 밝혀진 거예요!

이 발견 하나가 핵에너지부터 별의 탄생까지 전부 설명해 버렸다

중성자가 발견되자 과학계는 마치 퍼즐의 마지막 조각을 끼운 것처럼 들썩였어요. 그동안 설명이 안 되던 것들이 한꺼번에 풀리기 시작했거든요.

먼저, 원자핵이 왜 쪼개지지 않는지 이해할 수 있게 됐어요. 양성자는 전부 플러스 전기를 띠잖아요? 같은 전기끼리는 서로 밀어내는데, 양성자만 모여 있으면 핵이 폭발해야 정상이에요. 중성자가 양성자 사이에 끼어서 강한 접착제 역할을 해주고 있었던 거예요. 학교에서 싸우는 친구 둘 사이에 끼어드는 평화로운 친구 같은 존재였죠.

더 대단한 건, 중성자가 전기를 띠지 않기 때문에 다른 원자핵에 쉽게 들어갈 수 있다는 점이에요. 양성자는 플러스끼리 밀려서 핵에 접근하기 어렵지만, 중성자는 경비를 통과하는 투명인간처럼 핵 속으로 쑥 들어가요. 이 성질 덕분에 과학자들은 원자핵을 쪼개는 '핵분열'에 성공했고, 이것이 핵에너지와 원자력 발전의 시작이 됐어요. 또한 별 안에서 수소가 헬륨으로 바뀌는 핵융합 과정도 중성자 없이는 설명이 불가능했어요. 밤하늘의 별이 빛나는 이유까지 중성자가 열쇠를 쥐고 있었던 셈이죠. 채드윅은 이 공로로 1935년 노벨 물리학상을 받았어요. 그리고 이 투명 입자의 활약은 먼 우주가 아니라, 바로 여러분 곁에서도 지금 이 순간 계속되고 있어요.

지금 이 순간에도 중성자는 병원에서 너의 몸속을 들여다보고 있다

병원에서 MRI를 찍어 본 적 있나요? 그 커다란 튜브 안에 누우면 몸을 칼로 열지 않고도 뼈, 근육, 장기를 사진처럼 볼 수 있잖아요. MRI는 사실 우리 몸속 수소 원자의 핵, 즉 양성자를 이용한 기술인데, 중성자를 직접 활용하는 의료 기술도 있어요. '중성자 포획 치료'라는 방법은 암세포에만 특정 물질을 모은 뒤 중성자를 쏘아서 암세포 안에서만 작은 폭발을 일으켜요. 정상 세포는 거의 다치지 않고 암만 골라 공격하는 거죠. 게임으로 치면 적 캐릭터만 정확히 맞추는 스나이퍼 같은 기술이에요.

병원뿐만이 아니에요. 공항에서 가방 속 위험물을 검사할 때도, 오래된 유물의 나이를 알아낼 때도, 새로운 소재를 개발할 때도 중성자가 쓰여요. 전기가 없어서 아무도 못 찾던 그 투명 입자가 이제는 우리 생활 곳곳에서 보이지 않게 일하고 있는 거예요.

제임스 채드윅의 이야기가 알려주는 건 이거예요. 눈에 보이지 않는다고 없는 게 아니라는 것. 모두가 "그건 없어"라고 할 때 "아닌데, 분명 있을 거야"라고 믿고 끈질기게 파고든 사람이 결국 세상을 바꿨어요. 혹시 여러분도 뭔가 이상하다고 느낀 적 있나요? 그 감각, 절대 무시하지 마세요. 그게 다음 발견의 시작일 수도 있으니까요.