빛의 실체는 무엇인가를 알고 싶어 하던 사람들은 뉴턴의 프리즘 실험으로 무지개는 빛이라는 사실을 알게 되었고 이후 프리즘 실험을 계속한 결과 빛의 보이지 않는 영역인 자외선과 적외선까지 알아내게 되었습니다
그러나 가시광선, 자외선, 적외선 또한 빛의 영역 가운데 일부분이었으며 빛에는 또 다른 영역이 숨어있었고 인간이 본다고 생각했던 빛은 거대한 영역의 아주 좁은 틈에 불과했습니다
그러나 이 영역들은 적외선과 자외선을 발견할 때와 같이 프리즘 실험을 통해서가 아니라, 전기를 실험하는 과정에서 드러나게되었습니다
이 글에서는 적외선과 자외선 이후에 전자기파의 한 영역인 X선은 어떻게 세상에 드러나게 되었는지를 알아보겠습니다
X선이 발견될 당시의 시대적인 배경
적외선과 자외선이 발견된 이후, 1800년 대 중반 경 과학자들의 관심은 진공 상태의 유리관에 전류를 발생시키는 장치를 해놓고 전기현상을 관찰하는데 집중되어 있었습니다
인류는 정전기 현상을 호기심을 가지고 바라보다가 정전기를 모으는 방법(라이덴병)을 알게 되면서 전기적인 실험이 활발해졌고 전기는 선을 따라 흐른다는 것을 알게 되었습니다
이어 짙은 구름 속에 연을 날리어 연의 줄을 따라 전기가 라이덴 병에 충전되는 실험을 함으로써 번개도 전기와 같은 현상임도 밝혀지게 되었으며 갈바니와 볼타의 실험으로 물질의 내부에서 전기가 생성되어 흐르게 하는 방법도 알아내게 되었습니다(볼타전지)
이렇게 전기의 실체가 조금씩 밝혀지면서 전기를 이용하여 조명으로 사용하였을 뿐 아니라 모스부호등의 전신으로도 사용하였으며 원소에 전류를 흐르게 함으로써 새로운 화학물질을 발견해 내는 기술로도 사용하였습니다
그러나 궁극적으로 과학자들을 가장 궁금하게 했던 것은 전기를 발생시키는 근원은 무엇인가라는 질문이었습니다
음극선의 발견
지금 우리는 전기는 전자의 이동이라는 것을 알고 있지만, 이 때는 전자라는 존재를 발견하기 이전이었기 때문에 과학자들은 이러한 의문을 밝혀내기 위해 여러 가지 방법으로 실험을 하였습니다
그들은 우선 전기를 눈으로 보면서 실험하기 위해서 유리관에 두 개의 전극을 넣고 전압을 가하여 전류가 흐르게 하여 전기의 현상을 지켜보았습니다
공기가 가득 차있던 유리관에서는 전류가 발생하면 빛이 번쩍번쩍하는 현상이 발생하였는데 이후 공기가 유리관에서 조금씩 빠져나가면 스파크 현상이 줄어드는 것을 발견하였습니다
그래서 과학자들은 아예 유리관에서 공기를 다 빼서 진공상태를 만들면 어떤 현상이 나타나는지를 보고자 유리관을 진공상태로 만들어 전압을 가하였습니다
그러자 유리관의 음극에서 어떤 선과 같은 전류가 나와서 직선으로 흐르는 것이 보였는데, 이것은 훗 날 밝혀질 '전자'라는 존재가 처음 모습을 세상에 드러낸 순간이었습니다
과학자들은 이 선의 정체가 전자인 것을 알지 못하였기 때문에 이 선의 이름을 음극선이라 불렀습니다
(참고로 유리관 안의 스파크의 원인은 유리관 안의 공기와 전자가 충돌하기 때문입니다 공기의 양이 많으면 전자와 많은 공기가 부딪쳐서 강한 스파크 현상이 나타나고 공기가 빠져나갈수록 충돌의 회수가 줄어들고 거의 진공상태가 되면 충돌이 거의 없기 때문에 전자가 저항 없이 직선으로 나가는 것입니다)
음극에서 나온 이 빛은 유리벽에 부딪치면 형광색의 빛이 났고 금속에 부딪치면 노란색의 빛을 내었으며 유리관의 기체의 종류를 다르게 할 때마다 색이 변하였습니다
이러한 현상을 보면서 과학자들의 연구는 더욱 활발해졌고 뢴트겐도 X선을 발견할 당시, 이 진공관 실험을 하고 있었습니다
X선이 모습을 드러낸 뢴트겐의 실험
뢴트겐은 음극선이 음극에서 나와 양극의 금속에 부딪칠 때 내는 빛만을 보기 위해서 주변을 어둡게 하고 유리진공관도 두꺼운 종이로 덮어서 빛이 새어 나오지 못하도록 하였습니다
그리고 양극에 설치된 금속판에 계속 음극선을 쏘는 실험을 하고 있었습니다
그런데 그는 우연히도 음극관에서 멀리 떨어진 테이블의 위에 설치해 둔 형광판이 빛나는 것을 발견합니다
당시에 형광판은 전기를 실험하는 실험실에서는 흔하게 사용하던 도구였는데, 바륨 플라티노시아나이드라는 물질을 발라서 보이지 않는 에너지나 빛이 부딪치면 반짝하고 빛나는 판이었습니다
뢴트겐은 유리진공관을 분명히 두꺼운 종이로 감싸서 빛이 나가지 못하도록 차단했기 때문에 이 빛이 음극관에서 나온 빛이라고 생각하지 않았습니다
그는 이상하게 생각하면서 음극선을 여러 번 쏘아보았지만 쏠 때마다 형광판에서 빛이 발광하는 것을 보고 그는 그제서야 진공관 안에 두꺼운 종이를 뚫고 나가는 빛이 있다고 생각하였습니다
그래서 이 빛이 어떠한 물질들을 투과할 수 있는지를 관찰하고자 진공관과 형광판 사이에 여러 가지 물질을 놓으면서 실험하다가 책을 들어 진공관과 형광판 사이에 놓다가 책을 들고 있는 자신의 손을 보게되었는데 너무나 놀랍게도 살을 안보이고 손의 뼈만이 보였습니다
현대에 사는 우리는 X선을 너무도 흔하게 보아서 이 경이로운 광선을 그냥 병원에 가면 찍는 귀찮은 절차 정도로 생각하지만, 당시 뢴트겐은 정말 놀라고 무서웠을것입니다
당시 뢴트겐은 자신의 상태가 이상한 것은 아닌가 하고 생각했다고 하는데, 그럼에도 불구하고 이 이상한 현상을 알기 위해서 실험을 멈추지 않았습니다
그 결과 이 미지의 광선은 두꺼운 책이나, 나무판자, 고무등 많은 물질을 통과하지만 납은 통과하지 못한다는 것을 알게 됩니다
그는 여기서 빛에 반응하여 사진의 이미지를 남기는 감광물질을 생각합니다
저 빛은 투과하는 물질과 투과하지 못하는 물질이 있는데 이것을 사진으로 확인하고 싶었습니다
그래서 그의 부인을 불러서 유리진공관과 감광판 사이에 손을 놓게 하였습니다
그리고 빛을 주어 그의 부인의 손을 찍었는데 이때의 사진기술은 지금처럼 찰~칵하고 찍히는 때가 아니었기 때문에 일정 시간 동안 음극선을 계속 발생시켜 노광을 주었습니다
그 결과 부인의 손은 빛이 투과한 부분인 살은 검게 노광 되었고, 뼈는 투과하지 못하여 밝은 색으로 찍힌 것을 확인할수있었습니다
사진으로까지 이 빛의 특성을 파악한 뢴트겐은 빛의 이름을 수학의 알 수 없음을 의미하는 X라 칭하였고 자신의 실험결과를 학계에 발표합니다
그의 발표는 많은 사람들에게 충격을 주었습니다
몸을 관통하여 내 몸의 구조를 보여주는 광선이 있다는 것이 처음 알려질 때 사람들은 뢴트겐이 자신의 뼈를 보았을 때의 충격과 같은 충격을 느꼈을 것입니다
그 당시의 사람들은 이 광선을 과학적인 시선으로 이해하기보다는 초자연적인 현상으로 받아들이는 사람들도 많았고 또한 내 몸을 투과하여 보여준다는 사실 때문에 불쾌하게 생각하는 사람들도 있었다고 합니다
그러나 X선은 당시에 대단한 이슈 중의 이슈였고 과학자들은 연구는 더욱더 활발해져서 음극관을 이용하여 다양한 실험을 하였고 얼마 후, 톰슨은 음극선을 실험하다가 음극선의 정체는 금속에서 나오는 전자라는 사실을 알게 됩니다
이렇게 자연 속에서 잠자고 있던 원리들이 하나하나 밝혀져 인류는 세상의 실체에 대해서 하나하나 눈을 떠가는데, 그러나 X선이 인류에게 주는 놀라움은 시작에 불과했습니다
그 너머에는 훨씬 더 강력하고 위험한 빛이 기다리고 있었는데 다음 이야기에서는 인류의 역사에 깊은 영향을 끼친 강력한 파장, 감마선이 세상에 모습을 드러낸 실험과 과정을 따라가 보겠습니다