William Lawrence Bragg

수상 업적

The Nobel Prize in Physics 1915 was awarded jointly to Sir William Henry Bragg and William Lawrence Bragg “for their services in the analysis of crystal structure by means of X-rays” 1915년 노벨 물리학상은 “X선을 이용한 결정 구조 분석”으로 윌리엄 헨리 브래그와 윌리엄 로렌스 브래그에게 공동 수여되었습니다.

수상 추천문

결정에서 엑스선이 회절한다는 폰 라우에의 시대적 발견은 한편으로는 파동이 엑스선의 본질이라는 것을 확립하였고 결정 내에는 엑스선을 산란시킬 수 있는 주기적인 격자가 존재한다는 것을 실험으로 증명하였습니다. 그러나 공간격자뿐만 아니라 엑스선 스펙트럼에 있는 여러 파동의 파장과 강도 분포도 알아야 하므로 폰 라우에의 공식을 사용해 결정구조를 계산하려면 매우 복잡한 과정을 거쳐야만 했습니다. 윌리엄 로렌스 브래그가 이 회절 현상이 수학적인 관점에서는 격자점들을 연결하면 면이 만들어지고 이 평행한 면들에서 엑스선이 반사되면서 회절되는 현상으로 생각할 수 있고, 결정면 사이의 거리와 파장과의 관계는 회절각에 의해 간단한 수식으로 표현할 수 있다는 점을 발견한 것은 매우 의미 있는 일이었습니다. 수학적인 방법의 단순화를 통해 결정구조를 결정하는 것이 가능했지만 최종적으로 결정구조를 결정하기 위해서는 폰 라우에가 사용한 사진방법이 회절원리에 기초한 실험방법으로 대체되어야 했으며, 이 경우 처음에는 알 수 없지만 정확하게 정의된 파장이 필요합니다. 이런 목적에 사용되는 필수적인 도구는 엑스선 분광기로서 윌리엄 로렌스 브래그 교수의 아버지인 윌리엄 헨리 브래그 경이 만들었으며, 이 분광기를 사용해 아버지와 아들이 한편으로는 연합하고 다른 한편으로는 독자적으로 연구해 결정구조에 대한 많은 결과들을 얻었습니다. 많은 입방체들에서 하나의 입방체가 인접한 입방체의 면과 모두 일치해 최종적으로 8개의 꼭지점이 항상 한 점에서 만나도록 3차원적으로 배열되면 이른바 단순 입방체를 만들 수 있습니다. 만약 한 격자점이 각각의 정육면체의 면의 중심과 일치하도록 위치시키면 이른바 면심 입방체 격자가 얻어집니다. 반면 체심 입방체는 모든 입방체의 중심마다 하나의 격자점을 갖게 됩니다. 이 세 경우를 제외하고 임의의 방향에 놓인 평행한 면이 모든 격자점을 통과해 서로 같은 거리를 갖는 조건을 만족시키는 입방체 격자는 없습니다. 따라서 규칙적이거나 입방체 시스템에서의 공간격자는 위의 세 가지 중의 하나 또는 그들의 혼합으로 이루어져 있어야 합니다. 그리고 방금 전에 언급한 조건이 충족되지 않는, 결론적으로 말하면 특정한 방향들에 있는 모든 격자점들을 통과하도록 놓인 평행한 평면들이 같은 거리에 있지 않는 격자 혼합은 이 면에 대해 회절이 일어나면 다른 규칙을 가진 스펙트럼 사이에서 회절 강도의 분포가 비정상적으로 나타나게 되어 있습니다. 결정학적인 데이터로부터, 임의의 주어진 규칙결정에서 입방체의 면이 어떻게 위치하는지 항상 알 수 있으며, 그 결과 미리 지정된 임의의 방위를 가진 면에서 회절이 일어나는 것과 같은 방식으로 분광표 상에서 결정을 지정하는 것은 어렵지 않습니다. 결정에 조사되는 빛은 엑스선 튜브에서 생성되는데 처음에는 백금을 양극으로 사용했습니다. 금속의 특성엑스선복사는 잘 알려진 대로 소수의 강한 선들 또는 좁은 띠들로 이루어져 있습니다. 최초로 분광기를 사용해 수행한 실험은 백금의 특성엑스선을 보여 주고 있습니다. 그러나 복잡한 공간격자의 구조를 밝혀내기 위해서는 다양한 순서를 가진 분광선 사이에 나타나는 회절선의 비정상적인 강도분포가 가장 중요한 관측결과 중의 하나인데 가장 강력한 백금선 파장의 약 절반에서 나오는 엑스선 복사가 가장 좋은 것으로 판명되었습니다. 이론적인 연구를 통해 윌리엄 헨리 브래그 교수는 원자량이 100정도인 금속이 원하는 파장을 가진 특성복사를 방출할 것으로 생각했습니다. 이론과 일치하게 팔라듐과 로듐을 양극으로 사용한 경우에 원하는 특성복사를 얻을 수 있었습니다. 이 경우 심지어 다섯 번째의 스펙트럼도 얻을 수 있었습니다. 그러나 이런 특성복사의 장점을 이용하기 위해서는 복잡한 공간격자에서 회절파의 강도를 계산하는 방법을 개발하는 것이 필수적이었고 윌리엄 로렌스 브래그 교수가 개발한 방법은 폰 라우에가 개발한 방법보다 훨씬 더 간단했습니다. 이상으로 결정구조를 연구하기 위해 브래그 부자가 개발했던 방법들을 간단히 설명하였습니다. 그들은 여러 결정계를 연구하였는데 이 자리에서는 대략적으로 요약하겠습니다. 우선 두 연구자는 알칼리 할로겐염으로 대표되는 규칙적인 구조의 가장 단순한 유형을 연구하기 시작했습니다. 브롬화칼륨과 요오드화칼륨에서는 면심 입방체의 특성을 보이는 분광선이 얻어졌으며 염화칼륨은 단순 입방체, 염화나트륨은 중간적인 위치를 차지한다는 것을 알게 되었습니다. 염화나트륨을 다른 염들과 비교하고 화학적·결정학적 관점에서 연구한 결과 두 개의 면심 입방정이 서로 교차되어 하나의 입방체 격자를 이루고 있었습니다. 이러한 고찰로부터 알칼리염의 결정에서 금속원자는 같은 거리에 놓인 여섯 개의 할로겐원자로 둘러싸여 있다는 것을 알 수 있었으며 할로겐원자 또한 같은 거리에 놓인 여섯 개의 금속원자로 둘러싸여 있습니다. 그리고 이러한 구조는 많은 결정계에서 관찰되었습니다. 이 발견은 분자물리학과 화학에서 매우 중요합니다. 왜냐하면 엑스선 회절을 통해 결정된 결정구조에 따르면 결정은 원자들이 격자를 이루는 것이지, 분자들이 격자를 이루는 것이 아니기 때문입니다. 두 개의 면심 입방체 격자들이 서로 교차되어 침투해 하나의 격자에 해당하는 모든 점들은 다른 격자에 속하는 사면체 면의 무게중심에 위치할 수 있습니다. 브래그 부자는 다이아몬드에서 이러한 구조를 발견하였고 화학자들이 네 개의 배위수를 가진 탄소원자에 대해 가정해 왔던 사면체 구조를 실험으로 증명할 수 있었습니다. 한편 결정학자들이 다이아몬드가 결정의 규칙적인 체계 속에서 어떤 종류에 속하는지에 대해 왜 여지껏 일치를 보이지 못했는가에 대해 분명히 설명할 수 있었습니다. 결정의 공간격자에 대한 심도있는 고찰을 설명하다 보니 너무 멀리 왔고 또 복잡해졌습니다. 브래그 부자는 연구를 진행하면서 한편으로는 회절선들의 진폭과 위상차 사이의 관계를 발견했고, 다른 한편으로는 원자량에 따른 진폭과 위상차 사이의 관계를 발견했습니다. 또한 열이 공간격자에 미치는 영향도 실험적으로 보여 주었습니다. 마지막으로 두 연구자들은 엑스선의 파장과 격자점들을 통과하도록 위치한 연속적인 면들 사이의 거리를 아주 정확하게 결정하였습니다. 만일 오차가 있더라도 그것은 아마도 기껏해야 몇 퍼센트일 것이며 측정 그 자체 때문이라기보다 결정에 들어가는 일반적인 물리학적 상수 때문이라는 점을 말씀드립니다. 브래그 부자가 결정구조를 고찰하기 위해 고안한 방법들 덕분에 새로운 물리학의 세상이 열렸으며 그중 일부는 경이적인 정확도로 탐구됩니다. 이 방법과 이를 이용해 얻은 결과는 각각이 그 자체로 인상적이지만 전체로서는 너무나 넓고 깊어 아직 온전히 평가할 수 없습니다. 이 방법이 물리학 연구에 미친 중요성을 고려해 스웨덴 왕립과학원은 윌리엄 헨리 브래그 경과 그의 아들인 윌리엄 로렌스 브래그 교수에게 엑스선에 의한 결정구조의 연구를 발전시킨 커다란 공로를 인정하여 1915년 노벨 물리학상을 수여하기로 결정하였습니다.