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노벨상인물

로버트 밀리컨 Robert A. Millikan

로버트 밀리컨 [이미지]
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Caltech (캘리포니아공과대학교)
  • 작성 2017-07-05
  • 조회 4,126
  • 출생1868-03-22
  • 국적 미국
  • 분야물리학
  • 소속캘리포니아 공과대학
  • 출신대학베를린대학교, 괴팅겐대학교
  • 주요업적전기의 기본 전하량과 광전효과 연구
  • 수상노벨 물리학상(1923)
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인물정보

미국의 물리학자로 밀리컨의 기름방울실험을 고안하여 전자의 기본전하량을 측정하고 광전효과에 관한 정량적 연구에서는 플랑크상수의 값을 구했다. 이 기본전하량 및 광전효과에 대한 연구로 1923년 노벨물리학상을 받았다.

알버트 밀리컨은 1868년 3월 22일 일리노이주의 전도사 가정에서 태어났다. 아이오와 마쿼퀘타(Maquoketa) 고등학교를 마치고 제재소에서 속기사로 일했고 1887년 오벌린 대학(Oberlin College)에서 서양고전학을 전공했으나, 그의 교수는 물리학에 대한 흥미를 알아차리고 밀리컨에게 3학년 물리학 수업을 들을 수 있도록 기회를 주었다.

1893년 오벌린 대학(Oberlin College)에서 물리학 박사과정을 마치고 1895년 콜롬비아 대학(Columbia University)에서 빛의 표면에서 방출되는 빛의 편광에 관한 논문으로 물리학으로 박사학위를 받았다. 그 후에 교수의 조언에 따라 1년 동안 유럽에서 대학원 공부를 하였다. 파리에서는 헨리 푸앵카레(Henri Poincare)의 물리학과 공학 수업을 들었고 독일에 있는 동안에는 막스 플랑크(Max Plank), 워터 네른스트(Walter Nernst), 펠릭스 클라인(Felix Klein)과 함께 연구했다.

1896년, 시카고 대학에서 물리학 조교로 일하며 경력을 쌓았고, 리어슨 연구소(Ryerson Laboratory)에서는 노벨 물리학상 수상자 알버트 마이켈슨(A. A. Michelson)지도 하에 연구했다. 연구뿐만 아니라 책도 공동제작하곤 했는데, 스트레톤(S.W. Stratton)과 ‘대학 물리학'을 펴낸데 이어 1902년 헨리 고든 게일(Henry Gordon Gale)과 '역학, 분자 물리학, 열’을 1906년엔 ‘물리학 입문’이라는 책을 썼다. 1907년 그는 부교수로 승진했고 1910년 교수가 되어 1921년까지 시카고 대학 교수로 일했다.

물리학에 있어서 그가 흥미를 가졌던 분야는 전기, 분자물리학 그리고 광학이었다. 그의 초기 주요 성과는 1910년 전자에 의해 운반된 전하를 낙하적합법(Falling drop method)을 이용하여 정확하게 계산해 낸 것이었다. 1912년부터 1915년까지는 광전자 효과에 대한 연구를 이어나갔으며, 그의 분석은 알버트 아이슈타인(Albert Einstein)의 광전 방정식을 입증했다. 그 후 다양한 물질의 광전자 방출 그래프를 사용해서 양자론 분야에서 가장 기본적인 정수인 플랑크 정수 (Plank's constant)값을 밝혀냈다.

1913년 그는 웨스턴일렉트릭(Western Electric)의 조사부 컨설턴트로 임명되었고 같은 해 미국 예술과학 아카데미(American Academy of Arts and Sciences)와 미국 철학회 회원 (The American Philosophical Society)이 되었다. 1918년, 내셔널 아카데미 오브 사이언스(National Academy of Science)로 선출되어 다음해 미국 물리학 협회(American Physical Society)의 협회장을 맡았다. 세계 1차 대전 동안, 미국 국립 연구회의(National Research Council) 부위원장 자리에 올라 기상 장치와 해군 무기 개발에 힘썼다.

1917년 천문학자 조지 헤일(George Ellery Hale)의 신념에 따라 파사디나(Pasadena)에 위치했던 투룹 기술대학교(Throop College of Technology) 방문교수로 학생들을 가르치기 시작했다. 이 기관은 후에 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)로 발전하게 되었고, 그는 이 학교의 행정 위원회의 회장이 된다.

밀리컨은 생을 마감하기 전까지 책을 집필하는데 힘썼고, 신문과 잡지를 통해 생각과 견해들을 공유했다. 종교와 철학에 관한 그의 신념과 관점은 ‘과학과 종교의 진화’(1927), ‘전자 +와 -’, ‘양성자와 광자, 중성자, 중간자 그리고 우주선’(1947), 그의 자서전(1950) 등에서 엿볼 수 있다.

http://www.thefamouspeople.com/profiles/robert-andrews-millikan-2713.php

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시상연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
스웨덴 왕립과학원은 전기의 기본 전하에 대한 연구와 광전효과에 대한 연구를 수행한 로버트 앤드루스 밀리컨 박사에게 올해의 노벨 물리학상을 수여키로 하였습니다.

전기가 어떤 물체에 축적되는 현상을 대전이라고 합니다. 그리고 그것이 금속 철사를 따라 뻗어 나갈 때 전류라고 합니다. 그러나 전기가 물이나 수용액을 통과할 때는 문자적 의미에서의 흐름은 일어나지 않습니다. 액체에서는 화학적 분해, 즉 전기분해와 전하의 이동으로 전기가 전달됩니다. 그에 따라 물은 구성 요소인 수소와 산소로 분해되고 은염용액에서는 금속 은이 침전됩니다. 단 하나의 동일한 흐름, 즉 전기의 흐름으로 이러한 분해가 일어나는 것이라면 일정한 시간 동안 방출된 수소의 질량과 침전된 은의 질량비는 은의 원자량에 대한 수소의 원자량과 동일한 비율을 갖게 됩니다. 따라서 일정 시간에 일정한 강도로 전류를 보내면 항상 일정량의 수소와 그에 상응하는 양의 은이 침전됩니다. 전류의 강도는 주어진 시간에 액체를 통과하는 전기의 양을 나타내므로 수소원자와 은원자는 동일한 전하를 운반하며 이때 한 단위가 전하의 기본 단위입니다. 같은 법칙이 모든 전기분해 과정에 적용될 수 있습니다. 전기분해 과정에서 다른 원자들은 자신의 가전자만큼의 전하를 운반할 수 있습니다. 전하를 띤 원자들을 이온이라고 부르지만 이 단어는 더 넓은 의미로 사용되기도 합니다.

이러한 전기분해의 법칙으로부터 1그램의 수소에 들어 있는 원자의 수와 동일한 크기로 전하의 기본 단위를 계산할 수 있게 되었습니다. 1874년에 벌써 전하 기본 단위의 대략적인 값을 결정하였는데 이 값은 밀리컨 교수의 연구로 정확하게 측정된 수치의 3분의 2에 해당합니다. 전자라는 용어는 전하의 한 단위를 뜻하는 이름으로 제안되었으나 음극선을 발견하고 거기에서 자유롭게 움직이는 음전기의 단위가 추가되었기 때문에 전자라는 용어는 전하의 기본 단위와 동일한 음전기의 양으로 정의됩니다.

일반적으로 기체는 전류가 흐르지 않습니다. 그러나 어떤 기체가 엑스선에 노출되면 전기가 흐를 수 있습니다. 엑스선의 영향으로 기체에는 양이온과 음이온이 형성되고 전기분해와 비슷한 메커니즘으로 전하를 운반한다는 것이 증명되었습니다. 방사선 원소의 발견은 이온화에 대한 기초 연구에 많은 도움을 주었습니다.

이제 기체이온들의 전하 단위는 전기분해에서 알려진 단위와 대략 같다는 것이 알려졌습니다. 이온화는 단원자 비활성 기체에서도 관측이 가능합니다. 이 결과는 전하의 단위(전자)는 원자의 구성요소이고 이온화되면서 원자에서 방출되었다는 것을 의미합니다. 정확한 전하의 단위를 결정하기 위해 많은 노력이 있었지만 별로 개선되지 않았습니다. 밀리컨 교수가 이 문제를 해결하기까지는 말이지요.

밀리컨 교수의 목적은 전기가 이론에서 예측한 값과 같은 값을 가지는 가장 기초적인 단위로 되어 있다는 것을 증명하는 것이었습니다. 이것을 증명하기 위해서는 그 원천이 무엇이든지 전기는 전하의 한 단위 또는 그 단위의 정수배여야 한다는 것뿐만 아니라 그 단위는, 예를 들면, 최근에 원자가의 경우처럼 통계적 평균이 아니라는 것을 분명히 해야 했습니다. 다시 말해서 밀리컨 교수는 기본 전하 단위는 항상 일정하다고 확신할 만큼 정확하게 단일 이온의 전하를 측정할 필요가 있었고 자유전자의 경우에도 동일하게 증명해야 했습니다. 밀리컨 교수는 정확한 고찰방법과 특별할 정도로 정확한 실험 기술로 그 목적을 달성했습니다.

그는 실험에서 두 개의 수평으로 놓인 금속판을 준비하고 두 금속판의 거리를 약간 떨어지게 했습니다. 그러고 나서 스위치를 사용해 두 개의 판을 고압 전류의 극들에 연결시키거나 누전시켰습니다. 금속판 사이의 공기는 차폐될 수 있는 라듐을 사용해 이온화하였습니다. 상판의 중앙에는 미세한 구멍이 하나 뚫려 있고 그 구멍을 통해 약 1,000분의 1밀리미터의 지름을 가진 기름방울을 분사하였습니다. 구멍으로 분사된 기름방울은 금속판 사이의 공간에 들어가게 됩니다. 이때 금속판 사이의 공간에는 빛이 비춰져 기름방울은 마치 망원경으로 보이는 검은 배경을 갖고 빛나는 별처럼 반짝이게 됩니다. 그 망원경의 접안렌즈에는 세 개의 십자선이 놓여 있고 밀리컨 교수는 기름방울이 그 사이를 통과하는 시간을 측정하였습니다. 이런 식으로 밀리컨 교수는 기름방울의 하강 속도를 측정했는데, 작은 기름방울은 순식간에 떨어졌습니다.

기름방울은 분사할 때 일어난 마찰 때문에 전기를 띠게 됩니다. 기름방울이 떨어질 때 전류의 스위치를 켜 기름방울에 있는 전하로 인해 상판으로 끌려 올라가도록 했습니다. 그리고 기름방울의 상승속도를 측정했습니다. 그 후 금속판을 단락시켜 기름방울을 다시 떨어지게 하였습니다. 이렇게 기름방울이 오르락내리락하는 과정을 몇 시간 동안 반복해 처음에는 스톱워치를, 나중에는 크로노그래프를 사용해 상승 및 하강 속도를 반복해서 측정했습니다. 실험 결과, 떨어질 때의 속도는 일정했지만 상승할 때의 속도는 측정할 때마다 달랐는데 이것은 판 사이에 있는 이온들이 기름방울에 달라붙었기 때문입니다. 상승 속도의 차이는 달라붙은 전하의 양에 비례하고 속도의 차이는 항상 같은 값 또는 그 값의 정확한 배수였습니다. 다시 말해 실험을 반복함에 따라 기름방울에는 정확히 전하의 기본 단위 또는 그 단위의 정수배만큼의 전하가 달라붙었다는 것을 알 수 있었습니다. 이런 방식으로 매우 많은 경우에 대해 단일 이온의 전하가 측정되었으며 정확도는 1,000분의 1이었습니다.

전류의 스위치를 켰을 때 양이온들은 음극을 띤 금속판을 향해 높은 속도로 이끌리고 그 반대도 마찬가지입니다. 기름방울이 양이온이나 음이온들의 홍수 속에 노출되도록 설정해 기름방울의 전하를 변화시키고 싶다면 스위치를 켜 전류가 흐르기 시작하게 만드는 순간 기름방울들을 금속판 중의 하나 가까이에 떨어뜨리기만 하면 되었습니다. 이 방법을 사용해 밀리컨 교수는 마찰에 의해 기름방울이 얻은 전하는 그 단위의 정확한 배수가 된다는 것을 증명하였습니다.

반박의 여지가 없는 증명을 하기 위해, 더 나아가 기체 속에서 작은 물체의 하강 법칙과 브라운 운동의 법칙을 고찰하기 위해서 밀리컨 교수는 음극선과 알파선 그리고 베타선을 가지고 비슷한 실험을 했습니다.

전기는 동일한 단위로 이루어져 있다는 것을 밀리컨 교수가 증명했다는 사실을 생각하지 않더라도 전기의 단위를 정확히 측정했다는 것은 물리학에서 무엇으로도 가치를 매길 수 없을 만큼 중요한 기여입니다. 왜냐하면 이것으로부터 물리학자들은 많은 중요한 물리상수들을 아주 정확하게 계산할 수 있었기 때문입니다.

밀리컨 교수의 수상이 정당한 이유로는 광전 효과에 대한 연구를 빼놓을 수 없습니다. 자세한 설명 대신 단지 밀리컨 교수의 광전 효과에 대한 실험이 현재 알려진 것과 다른 결과를 얻게 되었다면 아인슈타인의 법칙은 무의미했을 것이며 보어의 이론도 지지를 얻을 수 없었을 것이라는 점만 언급하고 넘어가겠습니다. 밀리컨 교수의 결과가 발표된 이후 두 연구자들은 노벨 물리학상을 수상했습니다.

스웨덴 왕립과학원 노벨 물리학위원회 위원장 A. 굴스트란드

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자료출처
[네이버 지식백과] 전기의 기본 전하량과 광전효과 연구 (당신에게 노벨상을 수여합니다. | 노벨 물리학상, 2010. 1. 18., 바다출판사)

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