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노벨상인물

펠릭스 블로흐 Felix Bloch

펠릭스 블로흐 [이미지]
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CERN (유럽입자물리연구소)
  • 작성 2014-03-19
  • 조회 2,890
  • 출생1905-10-23, 스위스 취리히
  • 국적 스위스
  • 분야핵 물리학
  • 소속스탠포드 대학
  • 출신대학취리히연방공과대학교, 라이프치히대학교
  • 주요업적핵자기의 정밀측정 기법 개발 및 이와 관련된 발견의 공로
  • 수상노벨물리학상(1952)
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인물정보

스위스 출신의 미국의 물리학자. 1928년 금속의 전기전도이론을 전개하였으며, 이 후 고체이론의 연구. 하전입자의 저지능에 관한 연구, 중성자의 자기모멘트 측정, 원자핵의 자기모멘트 측정, 초전도 등 극저온에서의 여러 문제에 대한 연구 등을 하였다.

1905년 10월 23일 스위스 취리히에서 출생하였다. 취리히대학교에서 공부하고, 이어 라이프치히대학교에서 하이젠베르크의 지도로 이론물리학을 연구하였다. 1928년 결정(結晶) 속의 전자(電子)를 양자역학적으로 취급하여 여기서 금속의 전기전도이론을 전개하였다.

그 후 각지를 순방하면서 고체이론의 연구를 진행시켰으며, 또 하전입자의 저지능(沮止能)에 관한 연구 등을 하였다. 1933년 유대계에 대한 나치스의 억압을 피하여 미국으로 건너가 스탠퍼드대학교에서 중성자(中性子)의 자기모멘트를 산란실험(散亂實驗)으로 측정할 수 있음을 밝히고, 이에 의해 발생하는 중성자선의 관측 가능성을 지적하였다. 이것은 후에 바클레의 사이클로트론을 써서 L.W.앨버레즈와 협동으로 높은 정밀도로 행해졌다(1939).

제2차 세계대전 중에는 처음에는 원자폭탄 연구에, 후에는 레이더계측기 연구에 종사하였다. 후자에 관한 연구는 전자공학에의 접근에 따른 핵자기(核磁氣) 측정의 착상에 반영되었다.

대전이 끝나자 곧 그 실현에 착수하였으며, 퍼셀 등과는 별도로 1946년 원자핵의 자기모멘트 측정을 발표하여 1952년 노벨물리학상을 받았다. 초전도 등 극저온에서의 여러 문제도 다루었다.

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시상연설

노벨상 시상 연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
일반인들에게 가장 친숙한 자기 기기는 아마도 나침반의 바늘일 겁니다. 그러나 언제 어디서 나침반이 처음으로 사용되었는지에 대해서는 논란이 많습니다. 기원전 2600년에 사용되었다는 중국 기록으로부터 스칸디나비아인들이 아이슬란드를 항해할 때 사용했다는 12~13세기의 항해일지에 이르기까지 기록이 엇갈립니다. 그러나 이런 점은 나침반이든 폭약이든 오랫동안 사용되어 온 발명품에 대한 기록에서는 흔히 나타나는 문제입니다. 옛날에는 발명의 최초 아이디어라는 것이 오늘날과 같은 의미가 아닌 것 같습니다.

사실 우리가 이해하는 의미에서 자성에 대한 과학적 연구는 1600년 길버트의 『자성에 관하여』가 런던에서 출판되면서 시작되었습니다. 그 후 자성은 세 개의 카테고리로 나누어졌습니다. 철·코발트·니켈처럼 자성 특성이 강한 강자성, 대부분의 결정이나 유체처럼 자성 특성이 약한 상자성, 그리고 마지막으로 자성을 상쇄하고자 하는 특성으로 모든 물질에 내재되어 있는 반자성입니다. 그렇다면 나침반의 바늘도 반자성 특성이 있을 테니, 나침반 바늘이 자력선에 수직 방향으로 배열되어 동서를 가리키는 일이 일어날까요? 다행히 반자성은 너무 약해서 이런 이유로 배의 진로가 잘못되어 난파되는 경우는 없었습니다. 오늘날에는 이렇게 다양한 자기 분야에 제4의 카테고리가 추가되었습니다. 바로 원자핵에서 발생하는 핵자기입니다.

극히 작은 원자핵에서 나오는 자기장은 매우 미약해서 15년이나 20년 전에는 단지 그것이 존재할 것이라고 추측하였습니다. 따라서 올해의 노벨 물리학상 수상자인 블로흐 교수와 퍼셀 교수가 물리학의 어떤 다른 측정보다도 정밀한 방법으로 핵자기의 존재를 확인했을 때, 사람들은 어떤 특별한 방법과 장치 덕분에 측정이 가능했을 것이라고 생각했습니다. 그러나 이렇게 간단한 방법으로 목적이 달성된 경우가 또 있었을까요?

지금까지의 측정 방법 중에는 물체의 자기모멘트를 측정하는 기발한 아이디어가 있었습니다. 독일의 유명한 수학자이며 물리학자인 카를 프리드리히 가우스는 1836년 일정한 자기장 내에서 나침반 바늘의 진동운동을 관찰함으로써 나침반 바늘의 자기모멘트를 운동모멘트로 바꾸어 측정하였습니다. 사실 전자와 원자핵이 자장 내에서의 나침반 바늘처럼 운동하지는 않습니다. 오히려 자이로스코프처럼 자전하면서 자기장의 수직 방향을 축으로 세차운동을 합니다. 그러나 전자와 핵의 스핀은 전하량이나 원자량처럼 그 입자의 고유 특성이기 때문에 여기서 회전자기 계수를 구하는 것은 아주 간단합니다.

그러나 자기장 내에서 전자와 원자핵의 진동수를 어떻게 관찰하고 측정할 수 있을까요? 이 질문으로부터 새로운 발전이 시작되었습니다. 그 방법은 라디오 안테나와 라디오파의 공명과 유사한 방법입니다. 이런 비유에 걸맞게도 자기장 내에서 전자와 원자핵의 주파수는 정확히 단파라디오의 주파수와 레이더의 센티미터파 사이에 있습니다. 자기장 내에서 이들 원자주파수는 각 원자 혹은 동위원소 특유의 고유값을 가지는데, 그것은 플라이휠이나 진자 혹은 현대의 시계에 사용되는 수정 진동자보다도 안정적이고 규칙적입니다. 핵자기모멘트를 라디오파의 공명으로 측정하는 방법은 오랫동안 잘 알려진 것으로 1944년 라비가 노벨 물리학상을 수상했던 분야이기도 합니다. 라이덴 대학교의 고터도 비슷한 방법으로 전자의 스핀에 의한 결정들의 상자성을 연구한 바 있습니다.

라비는 분자선 방법으로 핵자기모멘트를 연구했습니다. 이 방법은 희박한 상태의 물질을 연구하는 데 큰 장점이 있었지만 동시에 그것이 한계이기도 합니다. 퍼셀과 블로흐 교수의 방법은 이런 점에서 매우 일반화된 것으로서, 고상과 액상 그리고 기상의 물질에도 적용될 수 있기 때문에 많은 경우에 유용하게 사용될 수 있습니다. 각각의 원자와 그 동위원소들은 잘 정의된 특성 핵주파수를 가지고 있기 때문에 두 개의 전자석 사이에 놓인 물체 속의 원소나 동위원소들을 라디오파로 찾아내거나 조사할 수 있습니다. 더 중요한 것은 그 형태나 결정구조 등에 전혀 영향을 미치지 않으면서 조사할 수 있다는 점입니다. 이런 실시간 분석 능력은 이 분석법이 다른 분석 방법에 비해 뛰어난 점입니다. 또한 뛰어난 감도 역시 미세분석법으로서 많은 과학기술 분야에 이 방법을 적용할 수 있을 것입니다.

퍼셀 교수님.
제2차 세계대전 종료 후 매사추세츠 공과대학의 유명한 방사선 실험실에서 연구를 마치고 오늘 노벨상을 수상하게 된 핵공명 흡수의 탁월한 방법을 개발하기까지의 연구 활동을 보면, 교수님은 칼을 쟁기로 바꾸려는 인류의 오랜 꿈을 실현했던 것 같습니다. 이 방법의 발명은 전자공학에 대한 교수님의 넓은 경험과 상자성 현상에 대한 깊은 관심이 있었기에 가능했습니다. 또한 그 탁월한 감도 덕분에 우리는 고상과 액상을 구성하는 물질과 원자 간의 상호작용에 관해 깊은 통찰을 하게 되었습니다.

이 방법을 이용해서건 아니건 교수님 그룹에서는 수많은 중요한 발견이 이루어졌는데, 그중 다음의 세 가지만을 특별히 강조하고자 합니다.

첫째로는 솔레노이드로 만들 수 있는 약한 자기장 내에서의 핵자기 공명을 연구할 수 있는 방법을 개발하였는데, 이 방법은 핵자기모멘트의 절대값을 구할 수 있다는 큰 의미가 있습니다. 두 번째로는 파운드 박사와 함께 수행한 매우 흥미로운 실험으로서 상자성을 이용하여 절대온도 0도 이하의 온도에 해당되는 원자핵 상태를 만든 것을 들 수 있습니다. 마지막으로는 1951년 유엔 박사와 함께 은하의 전파 스펙트럼에서 원자수소에 의한 선을 관찰한 것인데, 이것은 매우 경이로운 발견으로 현대 전파천문학에 큰 기여를 하였습니다. 교수님의 수상을 축하드리며 이제 전하로부터 노벨상을 받으시기 바랍니다.

블로흐 교수님.
몇 분간의 연설을 통해 교수님께서 노벨상을 수상하게 된 핵유도 방법의 주요 특성을 전달하는 것은 대단히 어려운 일이며, 교수님의 발명과정을 완벽하게 설명하는 것은 더욱더 어렵습니다.

교수님은 이론물리학자로서 연구 활동을 시작했으며 금속이론 분야에 큰 기여를 한 것으로 잘 알려져 있습니다. 그러나 교수님은 중성자 빔의 자기편광을 구하는 새로운 아이디어에 확신을 가지고 있었기 때문에 누구도 예상치 못한 실험 연구에 뛰어들었습니다. 교수님의 뛰어난 아이디어와 끈질긴 시험, 그리고 마무리 능력 등은 핵물리의 가장 어렵고 중요한 과제인 중성자의 자기모멘트를 정밀하게 구하는 과정에서 잘 드러났습니다.

아이디어는 또 새로운 아이디어를 낳는 법입니다. 교수님은 핵자기의 단위로 중성자의 모멘트를 직접 측정하면 자기장의 절대값을 결정해야 하는 어려운 과정을 생략할 수 있다는 아이디어를 내놓았습니다. 교수님께서는 이 방법이 있었기에 핵 유도 방법도 가능해졌다고 밝혔습니다.

노벨상 수상을 축하드리며 이제 전하로부터 노벨상을 받으시기 바랍니다.

스웨덴 왕립과학원 노벨 물리학위원회 E. 훌텐

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자료출처
CERN-Nobel prizes(www.cern.ch/), google, wikipedia, naver

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