과학이야기-체렌코프복사와 체렌코프 그리고 노벨상

체렌코프복사

체렌코프 복사 요약- 전하를 띤 입자가 광학적으로 투명한 매질 속을 통과할 때, 입자의 속도가 그 매질 속에서의 빛의 속도보다 더 클 경우에 발생하는 빛을 말합니다. 광전자증배관으로 검출하는 체렌코프계수기나 검출기가 고에너지원자핵물리학이나 우주선 연구에 이용된다는 의미입니다. 본문 - 1934년 P.A.체렌코프가 고속전자를 물과 유기물 등의 투명한 물질 속으로 통과시켜 발견하여 발견자의 이름을 따 명칭하였습다. 입자가 매질 속을 이동할 때 입자가 통과하는 곳 부근의 유전체(誘電體) 안에서는 편극현상(偏極現象)을 근원으로 하는 전자기파가 발생하며, 이 때 발생하는 전자기파는 입자의 속도가 유전체 안의 광속보다 클 경우에 멀리까지 전파될 수 있음이 I.M.프란크와 I.Y.탐에 의해 이론적으로 설명되었습니다. 상대성원리에 의하면 광속은 일정한 값(c, 299,792,458m/s)을 가지며 어떠한 물체도 이 속도보다 빠르게 움직일 수 없습니다. 한편 빛은 통과하는 매질에 따라 다른 속도값을 가지며 이는 매질의 굴절률 n 에 반비례하게 되지요. 예를 들어 진공 중에서의 광속을 c라 하면 물 속에서의 광속은 약 0.75c 가 됩니다. 따라서 0.75c 이상의 속도를 갖는 입자가 물 속으로 이동하게 되면 적어도 물 속에서는 빛보다 빠른 입자로써 존재하게 되는 것입니다. 이렇게 빛의 이동이 둔화되는 매질에서 빛보다 빠른 입자가 있을 때 나타나는 복사 파동이 체렌코프 복사이고 이 복사에 의해 해당 매질에서의 광속보다도 빠른 속도를 보였던 입자는 에너지를 잃고 광속 이하로 진행하게 되는 것이지요. 복사하는 빛의 방향과 하전입자의 운동방향 사이의 각 θ는 cos θ=1/nβ (β=v/c) 로 주어집니다. 여기서 c는 진공에서 빛의 속도, n은 매질의 굴절률, v는 하전입자의 속도입니다. 이와 같이 θ는 v에 의존하기 때문에 체렌코프복사의 발생각도를 측정하면 하전입자의 속도를 알 수 있으며 거꾸로 각도에 따라 입자를 분류하면 원하는 영역의 속도를 갖는 입자만을 검출할 수도 있게됩니다. 체렌코프 복사광을 광전자증배관(光電子增倍管)으로 검출하는 장치를 체렌코프계수기 또는 검출기라 하며 고에너지원자핵물리학이나 우주선(宇宙線) 연구에 많이 이용되기도합니다.

체렌코프는 누구인가?

러시아의 물리학자. ‘체렌코프효과’를 발견하였으며, 이것은 이후의 핵물리학 연구에 중요한 연구장치인 체렌코프계수기를 만드는 바탕이 되어, 고에너지물리학의 발전에 크게 기여하였다고 알려져 있습니다. 출생-사망1904.7.28 ~ 1990,국적은 러시아,활동분야물리학,출생지 러시아 노바야치글라,주요수상 노벨물리학상(1958) 본문-1904년 7월 28일 노바야치글라에서 출생하였습니다. 보로네시대학교를 졸업하고, 1930년부터 과학아카데미의 레베데프물리학연구소에서 연구를 시작하여, 1959년 빛중간자[光中間子] 반응연구실장으로서 실험물리학 교수가 되었습니다. S.I.바빌로프 밑에서 연구 중 1934년 방사선을 조사(照射)한 실험병의 물에서 청색 빛이 방출되는 것을 발견하여, 이것이 광속(光速)을 넘는 고속(高速)의 하전입자로부터 복사되는 것이라 단정하여, ‘체렌코프효과’를 발견하게됩니다. 이것은 이후의 핵물리학 연구에 중요한 연구장치인 체렌코프계수기를 만드는 바탕이 되어, 고(高)에너지물리학의 발전에 크게 기여하게 되지요. 체렌코프효과 발견과 해석의 업적으로 1958년 I.M.프란크, I.Y.탐과 함께 노벨물리학상을 수상하는 영광을 얻게됩니다.

체렌코프 노벨상 수상 연설문

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
오늘 노벨상을 수상하게 된 체렌코프 효과의 발견은 비교적 단순한 관찰이 적절한 연구 방법을 통해 중요한 발견으로 이어지고, 과학 연구에 새로운 길을 여는 것을 보여 주는 매우 좋은 예입니다. 이런 과학자들은 과학적 진보의 계기가 되는 독창적이고 직관적인 실험을 수행하는 능력을 타고 나는 것처럼 보입니다. 1930년대 초반의 파벨 체렌코프는 모스크바 레베데프 연구소의 학생이었습니다. 그의 스승인 바빌로프 교수가 그에게 준 논문의 연구 주제는 라듐에서 나오는 방사선이 여러 액체 속을 통과하면서 흡수될 때 어떤 일이 일어나는지를 연구하는 것이었습니다. 물론 이 문제는 이미 많은 과학자들이 관심을 가졌던 문제였으며, 방사선이 통과할 때 액체로부터 희미하게 비쳐 나오는 푸른빛도 이미 많은 사람들이 관찰했던 것입니다. 프랑스의 루시앙 말레의 관찰이 바로 그런 것에 해당됩니다. 그들은 이것이 잘 알려진 형광현상이 푸른빛으로 발현되는 것이라고 생각했습니다. 형광현상은 이미 50년 전부터 잘 알려져 있었고 이 현상을 응용한 분야도 많았습니다. 예를 들면 엑스선 형광 현미경은 엑스선이 형광판을 때려서 발광하는 것을 눈에 보이도록 만든 것입니다. 그러나 체렌코프 교수는 그가 관찰한 발광이 형광의 특성을 가지고 있지 않다는 점에 주목했습니다. 그런 생각은 첫 번째 실험에서 바로 증명되었습니다. 체렌코프 교수는 발광이 액체의 조성과 무관하게 일어난다는 것을 발견했는데 이것은 형광현상과 확연하게 다른 성질입니다. 두 차례 증류한 물을 이용한 실험에서 액체 내의 불순물에 의한 형광 가능성도 완전히 배제할 수 있었습니다. 체렌코프 교수는 이 새로운 발광현상을 연구 주제로 삼아 체계적인 추가 연구를 진행했습니다. 그는 이 발광이 라듐방사선이 들어오는 방향으로 편광되어 있음을 발견했습니다. 또한 라듐에서 나오는 전자들만 액체 속에 조사되었을 때에도 동일한 발광이 일어나는 것을 관찰함으로써 라듐방사선이 만든 매우 빠른 2차 전자가 이런 가시광선 발광의 주요 원인임을 알아냈습니다. 체렌코프 교수는 1934년부터 1937년 사이에 러시아 학술지에 발표한 연구들에서 이 새로운 발광의 일반적인 특징들을 모두 밝혔지만 여전히 이에 관한 수학적 이론은 없는 상태였습니다. 이 시점에 모스크바에 있는 체렌코프 교수의 동료들이 새로운 그림을 그리기 위해 뛰어들었습니다. 왜 매우 빠른 전자가 유체 속을 지나갈 때 체렌코프 교수가 발견한 특성의 발광이 일어나는 것일까요? 처음에는 이 현상이 대단히 이해하기 힘든 것처럼 보였지만 프랑크 교수와 탐 교수는 간단 명료하게 수학적 엄밀성을 갖추어 설명하였습니다. 그 현상은 파도보다 빠른 속도로 진행하는 배에 뱃머리파가 생기는 것과 비슷합니다. 여기 누구나 할 수 있는 간단한 실험이 있는데, 먼저 물이 담긴 그릇에 어떤 물체를 떨어뜨리고 원형의 파가 진행하는 속도를 관찰합니다. 그런 다음 처음에는 물체를 수면에서 아주 천천히 움직이다가 점점 속도를 빨리합니다. 물체의 속도가 수면파의 속도보다 빨라지면 뱃머리파가 형성되어 뒤로 비스듬하게 퍼져 가는 것을 알 수 있습니다. 이 경우 수면파의 속도는 작기 때문에 뱃머리파를 만드는 것은 쉽습니다. 공기 중에서는 제트기가 이른바 소리장벽을 돌파할 때, 즉 시속 1,000킬로미터인 음속보다 빠르게 날아갈 때 동일한 현상이 일어납니다. 이때 폭발음이 발생하는 것이 바로 그것입니다. 체렌코프 교수의 경우처럼 전자와 같은 대전입자가 매질을 통과할 때 가시광선의 뱃머리파가 만들어지려면 그 입자가 빛의 속도보다 빠른 속도로 매질을 통과해야 합니다. 아인슈타인의 상대성원리를 생각하면 이런 조건을 만드는 것은 불가능해 보입니다. 하지만 아인슈타인의 이론에서 빛의 속도는 진공에서의 속도를 말하며, 액체나 투명한 고체와 같은 매질에서는 빛의 속도가 진공에서보다 느려지고 파장에 따라 그 속도가 달라집니다. 학창시절의 프리즘을 통한 빛의 굴절실험을 상기해 보면 이 사실을 잘 이해할 수 있습니다. 따라서 이런 매질에서는 방사능 물질에서 나오는 고속의 전자가 빛의 속도보다 빠르게 운동하는 것이 가능해집니다. 이 조건에서 체렌코프 교수의 뱃머리파가 형성되어 전자들의 빠른 이동 경로를 따라 액체로부터 마술 같은 푸른빛이 나오는 것입니다. 물속에 우라늄 반응로가 잠겨 있는 수영장 원자로를 내려다보면 아주 아름답습니다. 내부 전체가 푸른색의 체렌코프광으로 빛나는데, 이 빛을 이용해서 반응기의 내부 사진을 찍을 수도 있습니다. 1955년 체렌코프 효과는 음전하를 띠는 수소핵인 반양성자의 발견 같은 새로운 소립자에 관한 최근의 성공에 결정적인 역할을 하였습니다. 이 효과에 기초하여 단일입자들의 거동을 기록할 수 있는 장치가 설계되었습니다. 물론 입자가 충분히 빠른 속도일 때에만 이 장치에 기록이 되며 동시에 속도가 측정됩니다. 속도를 측정하기 위해서는 뱃머리파의 각도가 입자의 속도에 의존한다는 사실을 이용하는데, 상당히 높은 정밀도입니다. 파도를 가르는 배에서 보는 것처럼 입자의 속도가 클수록 뱃머리파 사이의 각도는 작아집니다. 체렌코프 감지기라고 부르는 이런 새로운 방사선 감지기는 소립자를 매우 높은 속도로 가속하는 대형 원자가속기의 가장 중요한 장치 중 하나가 되었습니다. 약 20년 전 체렌코프 교수와 프랑크 교수, 그리고 탐 교수가 발견한 물질의 기본구조와 특성은 현재 대단히 중요한 응용으로 이어졌습니다.
체렌코프 교수님, 프랑크 교수님, 그리고 탐 교수님. 스웨덴 왕립과학원은 체렌코프 효과의 발견과 이론적 설명의 공로로 노벨 물리학상을 여러분께 수여하기로 하였습니다. 이 발견은 잘 알려져 있지 않은 물리현상에 한줄기 빛을 던졌으며, 원자의 연구에 매우 유용한 도구를 제공하였습니다. 과학원을 대신하여 마음속 깊이 축하의 말씀을 드립니다.
이제 나오셔서 전하로부터 노벨상을 수상하시기 바랍니다.
스웨덴 왕립과학원 노벨 물리학위원회 K. 시그반