X선 결정학의 새 시대를 연 부자(父子)

X선 결정학의 새 시대를 연 부자

[기상천외한 과학자들의 대결] 윌리엄 헨리 브래그와 윌리엄 로런스 브래그

1953년은 인류 역사의 한 획을 그은 기념비적인 해였다. 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭이 생명의 비밀이 담겨있는 DNA의 구조를 밝혀냈기 때문이다. 이들의 위대한 업적 뒤에는 영국 케임브리지 대학교 캐번디시 연구소의 윌리엄 로런스 브래그(William Lawrence Bragg) 소장의 든든한 후원과 그의 X선 결정학 연구가 있었기에 가능했다.

그는 25세의 나이에 아버지 윌리엄 헨리 브래그와 함께 노벨 물리학상을 받은 천재였다. 이들 부자(父子)가 연구한 X선 회절에 관한 법칙은 향후 X선 결정학 발전에 크게 기여했고 아버지와 아들이 동시에 노벨상 수상자로 선정되는 역사적인 이유가 됐다.

아들과 아름다운 협업으로 노벨상을 받은 윌리엄 헨리 브래그

아들과의 아름다운 협업을 통해 부자가 동시에 노벨상을 받는 위업을 달성한 윌리엄 헨리 브래그(William Henry Bragg). ⓒ 김은영/ ScienceTimes

1895년 빌헬름 뢴트겐이 X선을 발견한 이후 그 본질적인 특성을 밝히려는 노력이 과학자들 사이에서 계속됐다. 의학자들은 X선을 통해 몸속을 들여다봤고 물리학자들은 X선으로 물질 내부를 들여다보고 구조를 알고자 했다.

독일의 물리학자 막스 테오도르 펠릭스 폰 라우에(Max Theodor Felix von Laue)는 X선을 결정에 투과시키면 산란하여 회절 무늬가 생긴다는 것을 발견했다. 이것은 X선이 빛과 같은 전자기파라는 것을 의미한다. 폰 라우에는 결정체의 X선 회절 현상을 발견하고 파동이 X선의 본질이라는 것을 입증했다.

폰 라우에는 이 연구를 통해 1914년 노벨 물리학상을 거머쥔다. 오늘날 우리는 폰 라우에의 발견을 통해 결정체 내에서 원자의 위치를 결정할 수 있게 되었으며 이를 바탕으로 더 다양한 지식을 얻게 됐다. 그만큼 폰 라우에의 발견은 위대한 업적이었다. 하지만 그의 연구에는 한계도 있었다. 폰 라우에의 공식을 이용해 결정구조를 계산하려면 매우 복잡한 과정을 거쳐야 했기 때문이다.

이들 부자는 결정에 의해 생기는 X선 산란을 간단하게 처리하는 방법인 ‘브래그(Bragg)의 법칙’을 발견했다. ⓒ 위키미디어

이때 폰 라우에가 밝힌 X선 회절 현상에 대해 큰 관심을 가진 이가 바로 젊은 물리학자 윌리엄 로런스 브래그였다. 그는 독자적인 실험으로 라우에의 설명을 보충할 방법을 찾았다. 그리고 실험의 결과를 수학적으로 증명했다. 그가 겨우 대학생일 때 일이다.

하지만 결정구조를 최종적으로 결정하기 위해서는 X선의 파장을 정확하게 측정할 수 있는 기구가 필요했다. 아들은 저명한 물리학자였던 아버지에게 연구를 제안한다. 아버지와 아들은 함께 합심해 문제를 해결했다. 로런스 브래그의 아버지인 헨리 브래그는 원하는 세기의 단색광을 산출할 수 있는 X선 분광기를 만들었고 이들은 이 새로운 분광기를 이용해 함께 결정구조를 고찰하기 위한 다양한 방법들을 얻어내는 성과를 이룬다.

25세에 노벨상 받은 천재 아들, 윌리엄 로런스 브래그

이 공로로 이들은 1915년 ‘X선을 이용한 결정 구조 분석(for their servics in the analysis of crystal structure by means of X-rays)’으로 노벨 물리학상을 받는다. 노벨상 위원회는 이들 부자가 결정구조를 고찰하기 위해 고안한 방법들 덕분에 새로운 물리학의 세상이 열렸다며 찬탄했다.

25세에 노벨 물리학상을 받은 천재 물리학자, 윌리엄 로런스 브래그(William Lawrence Bragg). ⓒ Nobel Foundation/wikipedia

X선을 이용한 결정 구조 분석 연구는 현재 물리학에 지대한 영향을 미쳤다. 이들의 연구를 통해 단순 금속 결정에서 복잡한 단백질의 구조까지 알 수 있게 됐기 때문이다. 이때 윌리엄 로런스 브래그의 나이는 겨우 25세였다. 최연소 노벨상 수상자가 탄생한 역사적인 순간이었다. 아버지와 아들이 동시에 같은 해에 노벨상을 받은 것도 이들이 유일하다.

하지만 로런스 브래그가 젊은 나이에 이룩한 놀라운 성과는 시작에 불과했다. 그는 48세가 되던 1938년에는 영국 케임브리지 대학교 캐번디시 연구소장으로, 64세에는 아버지와 마찬가지로 영국 런던 국립왕실연구소 소장으로 활동하며 75세까지 연구를 멈추지 않았다. 그는 뛰어난 천재성 못지않은 연구 열정으로 노년에도 연구팀을 결성해 복합유기결정체의 구조를 성공적으로 밝히는 쾌거를 이뤘고 결국 생명의 비밀인 DNA의 구조를 알아내는 데 있어 든든한 후원자로서 자리매김했다.

어린 나이에 이룩한 성과에 자만하지 않고 자신의 천재적인 재능을 사회를 위해 끝까지 환원한 윌리엄 로런스 브래그와 아들을 후원하고 연구의 동반자로 존중하며 함께 거대한 업적을 이룬 아버지 윌리엄 헨리 브래그. 이들의 천재적인 재능과 열정은 인류 과학사를 진보하게 한 원동력으로 결실을 맺었다.