핵분열의 발견

핵분열은 1938년 12월 화학자 오토 한과 프리츠 슈트라스만과 물리학자 리제 마이트너와 오토 로베르트 프리슈에 의해 발견되었다. 핵분열은 핵반응 또는 방사성 붕괴 과정으로, 원자핵이 두 개 이상의 작고 가벼운 핵과 종종 다른 입자로 분열하는 것이다. 핵분열 과정은 종종 감마선을 생성하고, 방사성 붕괴의 에너지 기준에서도 매우 많은 양의 에너지를 방출한다. 과학자들은 이미 알파 붕괴와 베타 붕괴를 알고 있었지만, 핵 연쇄 반응이 가능하다는 발견은 원자력과 핵무기의 개발로 이어졌기 때문에 핵분열은 매우 중요하게 여겨졌다. 한은 핵분열 발견으로 1944년 노벨 화학상을 수상했다.

리제 마이트너와 오토 로베르트 프리슈가 이론화한 핵반응과 뒤이어 오토 한과 프리츠 슈트라스만이 이론화한 핵 연쇄 반응^[1]

베를린에 있는 카이저 빌헬름 화학 연구소의 한과 슈트라스만은 우라늄에 느린 중성자를 충돌시켜 바륨이 생성된 것을 발견했다. 한은 핵의 폭발을 제안했지만, 그 결과에 대한 물리적 근거가 무엇인지 확신하지 못했다. 그들은 몇 달 전 나치 독일을 탈출하여 스웨덴에 있던 마이트너에게 우편으로 연구 결과를 보고했다. 마이트너와 그녀의 조카 프리슈는 우라늄 핵이 분열되었음을 이론화하고, 이를 증명한 다음 네이처에 그들의 연구 결과를 발표했다. 마이트너는 각 붕괴로 방출되는 에너지가 약 200 메가전자볼트라고 계산했고, 프리슈는 이를 관찰했다. 생물학적 세포 분열에 비유하여 그는 이 과정을 "핵분열"이라고 명명했다.

이 발견은 방사능과 방사성 물질의 특성에 대한 40년간의 연구 끝에 이루어졌다. 1932년 제임스 채드윅의 중성자 발견은 핵변환의 새로운 수단을 만들었다. 엔리코 페르미와 로마의 그의 동료들은 우라늄에 중성자를 충돌시켰을 때의 결과를 연구했고, 페르미는 그의 실험이 93개와 94개의 양성자를 가진 새로운 원소를 생성했다고 결론지었으며, 그의 그룹은 이를 아우세늄과 헤스페륨이라고 불렀다. 페르미는 "중성자 방사선에 의해 생성된 새로운 방사성 원소의 존재를 입증하고, 느린 중성자에 의한 핵반응 발견에 기여한 공로"로 1938년 노벨 물리학상을 수상했다.^[2] 그러나 페르미의 결과 분석에 모두가 납득한 것은 아니었다. 이다 노다크는 새로운 무거운 원소 93을 생성하는 대신, 핵이 큰 조각들로 부서질 수 있다고 제안했으며, 아리스티트 폰 그로세는 페르미 그룹이 발견한 것이 프로트악티늄의 동위 원소라고 제안했다.

이것은 가장 안정한 프로트악티늄의 동위 원소를 발견한 한과 마이트너가 그들의 동료 슈트라스만과 함께 이 과정에 대한 4년간의 조사를 시작하게 만들었다. 많은 노력과 많은 발견 끝에 그들은 자신들이 관찰하고 있는 것이 핵분열이며, 페르미가 발견한 새로운 원소들이 핵분열 생성물이라는 것을 알아냈다. 그들의 연구는 오랫동안 믿어져 왔던 물리학적 신념을 뒤엎었고, 실제 원소 93(넵투늄)과 94(플루토늄)의 발견, 다른 원소에서의 핵분열 발견, 그리고 우라늄에서 우라늄-235 동위 원소의 역할 규명을 위한 길을 열었다. 닐스 보어와 존 휠러는 물방울 모형을 재작업하여 핵분열 메커니즘을 설명했다.

배경

방사능

19세기 말, 과학자들은 당시 표준 실험 장비가 된 브라운관으로 자주 실험했다. 흔한 방법은 음극선을 다양한 물질에 쬐어 어떤 일이 일어나는지 보는 것이었다. 빌헬름 콘라트 뢴트겐은 바륨 백금시안화물로 코팅된 스크린을 가지고 있었는데, 이 스크린은 음극선에 노출되면 형광을 발했다. 1895년 11월 8일, 그는 음극관이 검은색 마분지로 덮인 스크린을 향하지 않았음에도 불구하고 스크린이 여전히 형광을 발한다는 것을 알아차렸다. 그는 곧 자신이 새로운 종류의 광선을 발견했다고 확신했고, 오늘날 이 광선은 엑스선이라고 불린다. 다음 해 앙리 베크렐은 형광성 우라늄 염으로 실험을 하다가 그것들도 엑스선을 생성할 수 있는지 궁금해했다.^[3] 1896년 3월 1일 그는 실제로 광선을 생성한다는 것을 발견했지만, 다른 종류의 광선이었고, 심지어 우라늄 염이 어두운 서랍에 보관되어 있을 때도 X선 필름에 강렬한 이미지를 만들어냈는데, 이는 광선이 내부에서 나오며 외부 에너지원을 필요로 하지 않는다는 것을 나타냈다.^[4]

1930년경 주기율표

엑스선이 인체 내부의 뼈를 보이게 하는 능력으로 과학자와 일반인 모두의 광범위한 호기심의 대상이 되었던 뢴트겐의 발견과는 달리, 베크렐의 발견은 당시에는 거의 영향을 미치지 않았고, 베크렐 자신도 곧 다른 연구로 옮겨갔다.^[5] 마리 퀴리는 찾을 수 있는 모든 원소와 광물 샘플에서 베크렐 광선의 징후를 테스트했고, 1898년 4월에는 토륨에서도 그것들을 발견했다. 그녀는 이 현상에 "방사능"이라는 이름을 붙였다.^[6] 피에르 퀴리와 구스타프 베몽과 함께 그녀는 우라늄 함유 광석인 피치블렌드를 조사하기 시작했고, 이것이 함유된 우라늄보다 더 강한 방사능을 띤다는 것을 발견했다. 이는 추가 방사성 원소의 존재를 시사했다. 하나는 화학적으로 비스무트와 유사하지만 강한 방사능을 띠었고, 1898년 7월 그들은 그것이 "폴로늄"이라고 명명한 새로운 원소라고 결론 내린 논문을 발표했다. 다른 하나는 화학적으로 바륨과 유사했고, 1898년 12월 논문에서 그들은 두 번째로 알려지지 않은 원소인 "라듐"의 발견을 발표했다. 과학계에 확신을 주는 것은 또 다른 문제였다. 광석에서 바륨으로부터 라듐을 분리하는 것은 매우 어려웠다. 10분의 1그램의 염화 라듐을 생산하는 데 3년이 걸렸고, 그들은 폴로늄을 분리하는 데는 성공하지 못했다.^[7]

1898년, 어니스트 러더퍼드는 토륨이 방사성 가스를 방출한다는 것을 알아냈다. 방사선을 조사하면서 그는 베크렐 방사선을 α(알파)와 β(베타) 방사선이라고 부르는 두 가지 유형으로 분류했다.^[8] 그 후, 폴 빌라드는 러더퍼드의 분류법에 따라 "감마선"이라고 불리는 세 번째 유형의 베크렐 방사선을 발견했으며, 퀴리는 라듐도 방사성 가스를 생성한다는 것을 알아냈다. 이 가스를 화학적으로 식별하는 것은 어려웠다. 러더퍼드와 프레더릭 소디는 이 가스가 아르곤처럼 불활성이라는 것을 발견했다. 이것은 나중에 라돈으로 알려지게 되었다. 러더퍼드는 베타선을 음극선(전자)으로 식별했으며, 알파 입자가 헬륨 핵이라고 가설을 세웠고, 1909년 토머스 로이즈와 함께 이를 증명했다.^[9][10] 원소의 방사성 붕괴를 관찰하면서 러더퍼드와 소디는 방사성 생성물을 그들의 특성적인 붕괴율에 따라 분류하고 반감기 개념을 도입했다.^[9][11] 1903년, 소디와 마가렛 토드는 화학적 및 분광학적으로는 동일하지만 방사성 반감기가 다른 원자에 "동위 원소"라는 용어를 적용했다.^[12][13] 러더퍼드는 양성자로 이루어진 매우 작고 밀도가 높으며 양전하를 띠는 원자핵이 궤도를 도는 음전하를 띠는 전자로 둘러싸여 있는 원자 모형(러더퍼드 원자 모형)을 제안했다.^[14] 닐스 보어는 1913년에 이를 전자의 양자 행동과 조화시켜(보어 모형) 개선했다.^[15][16][17]

프로트악티늄

악티늄의 붕괴 사슬. 알파 붕괴는 두 원소를 아래로 이동시키고, 베타 붕괴는 한 원소를 위로 이동시킨다.

소디와 카지미에시 파얀스는 1913년 독립적으로 알파 붕괴가 원자를 주기율표에서 두 칸 아래로 이동시키고, 두 개의 베타 입자를 잃으면 원래 위치로 돌아온다는 것을 관찰했다. 주기율표의 재편성 결과, 라듐은 II족에, 악티늄은 III족에, 토륨은 IV족에, 우라늄은 VI족에 놓였다. 이로 인해 토륨과 우라늄 사이에 빈 칸이 생겼다. 소디는 이 알려지지 않은 원소(그는 드미트리 멘델레예프의 이름을 따서 "에카탄탈륨"이라고 불렀다)가 탄탈럼과 화학적 성질이 유사한 알파 방출체일 것이라고 예측했다.^[18][19][20] 파얀스와 오스발트 헬무트 괴링이 토륨의 베타 방출 생성물의 붕괴 생성물로 그것을 발견하는 데는 오래 걸리지 않았다. 파얀스와 소디의 방사성 변위 법칙에 따라 이것은 누락된 원소의 동위 원소였으며, 그들은 짧은 반감기를 따서 "브레비움"이라고 명명했다. 그러나 그것은 베타 방출체였으므로 악티늄의 모체 동위 원소가 될 수 없었다. 이것은 다른 동위 원소여야 했다.^[18]

베를린-다렘의 카이저 빌헬름 연구소(KWI)의 두 과학자가 누락된 동위 원소를 찾는 도전에 나섰다. 오토 한은 마르부르크 대학교에서 유기 화학자로 졸업했지만, 유니버시티 칼리지 런던의 윌리엄 램지 경 밑에서, 그리고 맥길 대학교의 러더퍼드 밑에서 박사 후 연구원으로 방사성 동위 원소를 연구했다. 1906년, 그는 독일로 돌아와 베를린 대학교의 헤르만 에밀 피셔의 조수가 되었다. 맥길에서 그는 물리학자와 긴밀히 협력하는 데 익숙해졌으므로, 1906년 빈 대학교에서 박사 학위를 받고 프리드리히-빌헬름스-대학교에서 막스 플랑크 밑에서 물리학을 공부하기 위해 베를린으로 이주했던 리제 마이트너와 팀을 이루었다. 마이트너는 자신과 동갑인 한이 나이 많고 더 저명한 동료들보다 덜 위협적이라고 생각했다.^[21] 한과 마이트너는 1913년 새로 설립된 카이저 빌헬름 화학 연구소로 이전했고, 1920년까지 그곳에서 자신들의 연구실을 이끌게 되었으며, 자신들의 학생, 연구 프로그램 및 장비를 갖추게 되었다.^[21] 새로운 연구실은 이전 연구실이 방사성 물질로 너무 오염되어 약한 방사성 물질을 연구할 수 없게 되었기 때문에 새로운 기회를 제공했다. 그들은 피치블렌드에서 탄탈럼 그룹을 분리하는 새로운 기술을 개발했는데, 이는 새로운 동위 원소의 분리를 가속화할 것이라고 기대했다.^[18]

1912년 오토 한과 리제 마이트너

이 작업은 1914년 제1차 세계 대전 발발로 중단되었다. 한은 독일군에 징집되었고, 마이트너는 오스트리아군 병원에서 자원 봉사 방사선사가 되었다.^[22] 그녀는 1916년 10월 카이저 빌헬름 연구소로 돌아왔다. 한은 1914년 여름부터 1916년 말까지 서부와 동부 전선, 베를린과 레버쿠젠을 오간 후 1916년 12월 베를린의 제국 본부 신설 가스 사령부에 합류했다.^[23]

대부분의 학생, 실험실 조수 및 기술자가 소집되었으므로 1917년 1월부터 9월까지 베를린에 주둔했던 한^[24]과 마이트너는 모든 것을 직접 해야 했다. 1917년 12월까지 그녀는 물질을 분리할 수 있었고, 추가 작업 끝에 그것이 실제로 누락된 동위 원소임을 증명할 수 있었다. 마이트너는 1918년 3월 "Die Muttersubstanz des Actiniums; ein neues radioaktives Element von langer Lebensdauer"라는 제목으로 과학 저널 Physikalischen Zeitschrift에 그들과 한의 연구 결과를 출판하기 위해 제출했다.^[18][25]

파얀스와 괴링이 이 원소를 처음 발견했지만, 관습상 원소는 가장 오래 지속되고 가장 풍부한 동위 원소로 대표되어야 했으며, 브레비움은 적절하지 않은 것 같았다. 파얀스는 마이트너와 한이 이 원소를 프로트악티늄이라고 명명하고 화학 기호 Pa를 부여하는 데 동의했다. 1918년 6월, 소디와 존 아놀드 크랜스턴은 그들이 이 동위 원소의 샘플을 추출했다고 발표했지만, 한과 마이트너와는 달리 그 특성을 설명할 수 없었다. 그들은 한과 마이트너의 우선권을 인정하고 이름에 동의했다. 알려진 우라늄 동위 원소 중 어떤 것도 프로트악티늄으로 붕괴되지 않았기 때문에 우라늄과의 연결은 미스터리로 남아 있었다. 이 문제는 1929년 우라늄-235가 발견될 때까지 해결되지 않았다.^[18][26]

그들의 발견으로 인해 한과 마이트너는 1920년대에 막스 플랑크, 하인리히 야콥 골드슈미트 그리고 파얀스 자신을 포함한 여러 과학자들에 의해 노벨 화학상 후보로 여러 차례 지명되었다.^[27][28] 1949년, 국제 순수 및 응용 화학 연합(IUPAC)은 이 새로운 원소에 확정적으로 프로트악티늄이라는 이름을 붙이고, 한과 마이트너를 발견자로 확인했다.^[29]

변환

1935년 파리 연구실의 이렌 졸리오퀴리와 프레데리크 졸리오

패트릭 블래킷은 1925년에 질소에 알파 입자를 가하여 질소를 산소로 핵변환시키는 데 성공했다. 원자핵에 대한 현대적 표기법으로, 이 반응은 다음과 같았다.

14
7N + 4
2He → 17
8O + p

이것은 핵반응의 첫 관찰이었다. 즉, 한 붕괴의 입자가 다른 원자핵을 변환시키는 데 사용되는 반응이었다.^[30] 완전히 인공적인 핵반응과 핵변환은 1932년 4월 어니스트 월턴과 존 콕크로프트에 의해 달성되었는데, 그들은 인공적으로 가속된 양성자를 리튬에 충돌시켜 이 핵을 두 개의 알파 입자로 분열시켰다. 이 업적은 통칭 "원자 분열"로 알려졌지만, 핵분열은 아니었다.^[31][32] 이는 내부 방사성 붕괴 과정의 시작 결과가 아니었기 때문이다.^[33] 콕크로프트와 월턴의 업적이 있기 불과 몇 주 전, 캐번디시 연구소의 또 다른 과학자 제임스 채드윅은 봉랍으로 만든 기발한 장치를 사용하여 베릴륨과 알파 입자의 반응을 통해 중성자를 발견했다.^[34][35]

9
4Be + 4
2He → 12
6C + n

이렌 졸리오퀴리와 프레데리크 졸리오는 알루미늄 박막에 알파 입자를 조사했고, 그 결과 약 3분 정도의 반감기를 갖는 단명 인 동위 원소가 생성된다는 것을 발견했다.

27
13Al + 4
2He → 30
15P + n

이것은 나중에 안정된 규소 동위 원소로 붕괴한다.

30
15P → 30
14Si + e⁺

그들은 중성자 방출이 멈춘 후에도 방사능이 계속된다는 것을 알아차렸다. 그들은 양전자 방출 형태의 새로운 방사성 붕괴를 발견했을 뿐만 아니라, 한 원소를 이전에는 알려지지 않은 다른 원소의 방사성 동위 원소로 변환시켜 이전에 존재하지 않던 방사능을 유도했다. 방사화학은 이제 특정 무거운 원소에 국한되지 않고 전체 주기율표로 확장되었다.^[36][37][38]

채드윅은 중성자가 전기적으로 중성이기 때문에 양성자나 알파 입자보다 핵에 더 쉽게 침투할 수 있다고 언급했다.^[39] 엔리코 페르미와 로마의 그의 동료들—에두아르도 아마르디, 오스카르 다고스티노, 프랑코 라제티, 에밀리오 지노 세그레—은 이 아이디어를 받아들였다.^[40] 라제티는 1931년에 마이트너의 연구실을 방문했고, 1932년 채드윅의 중성자 발견 이후 다시 방문했다. 마이트너는 그에게 폴로늄-베릴륨 중성자 선원을 준비하는 방법을 보여주었다. 로마로 돌아온 라제티는 마이트너의 것을 모델로 한 가이거 계수기와 안개 상자를 만들었다. 페르미는 처음에 채드윅과 퀴리가 그랬던 것처럼 폴로늄을 알파 입자원으로 사용할 계획이었다. 라돈은 폴로늄보다 더 강력한 알파 입자원이었지만, 베타선과 감마선도 방출하여 연구실의 검출 장비에 문제를 일으켰다. 그러나 라제티는 폴로늄-베릴륨 선원을 준비하지 않고 부활절 휴가를 떠났고, 페르미는 반응 생성물에 관심이 있었기 때문에 한 연구실에서 샘플을 조사하고 복도 아래의 다른 연구실에서 테스트할 수 있다는 것을 깨달았다. 중성자 선원은 밀봉된 캡슐에 분말 베릴륨과 혼합하여 쉽게 준비할 수 있었다. 게다가 라돈은 쉽게 얻을 수 있었다. 줄리오 체사레 트라바키는 1그램 이상의 라듐을 가지고 있었고 페르미에게 기꺼이 라돈을 공급했다. 반감기가 3.82일에 불과했기 때문에 그렇지 않으면 낭비될 뿐이었고, 라듐은 계속해서 더 많은 것을 생산했다.^[40][41]

1934년경 엔리코 페르미와 그의 연구 그룹(파니스페르나 가의 아이들). 왼쪽부터 오스카르 다고스티노, 에밀리오 지노 세그레, 에두아르도 아마르디, 프랑코 라제티, 페르미

그들은 조립 라인 방식으로 먼저 물을 조사하고 이어서 리튬, 베릴륨, 붕소, 탄소를 거쳐 주기율표를 올라갔지만 어떠한 방사능도 유도하지 못했다. 알루미늄과 플루오린에 이르러서야 첫 성공을 거두었다. 중성자 폭격으로 22개의 다른 원소에서 유도 방사능이 최종적으로 발견되었다.^[42][43] 마이트너는 페르미가 자신의 논문 미리보기를 보낸 소수의 물리학자 중 한 명이었고, 그녀는 알루미늄, 규소, 인, 구리, 아연에 대한 그의 발견을 확인했다고 보고할 수 있었다.^[41] 닐스 보어 연구소(영어판)의 닐스 보어 이론 물리학 연구소에 《라 리세르카 시엔티피카》(La Ricerca Scientifica)의 새 사본이 도착했을 때, 그곳에서 이탈리아어를 읽을 수 있는 유일한 물리학자였던 그녀의 조카 오토 로베르트 프리슈는 동료들의 번역 요청으로 바빴다. 로마 그룹은 희토류 원소 샘플이 없었지만, 보어 연구소에는 게오르크 카를 폰 헤베시가 아우어게젤샤프트(Auergesellschaft)로부터 받은 그들의 산화물 완전 세트가 있었으므로, 헤베시와 힐데 레비는 그것들로 이 과정을 수행했다.^[44]

로마 그룹이 우라늄에 도달했을 때, 그들은 문제가 있었다. 자연 우라늄의 방사능은 그들의 중성자원만큼 거의 강했다.^[45] 그들이 관찰한 것은 복잡한 반감기 혼합물이었다. 변위 법칙에 따라 그들은 납, 비스무트, 라듐, 악티늄, 토륨, 프로트악티늄의 존재를 확인했고(화학적 특성이 알려지지 않은 원소들은 건너뛰었다), 그들 중 어떤 것도 발견되지 않았다.^[45] 페르미는 중성자 조사에 의해 세 가지 유형의 반응이 발생한다는 것을 언급했다. 알파 입자 방출 (n, α); 양성자 방출 (n, p); 감마 방출 (n, γ). 예외 없이 새로운 동위 원소는 베타 방출에 의해 붕괴되었고, 이는 원소가 주기율표에서 위로 이동하게 했다.^[46]

당시의 주기율표에 따르면, 페르미는 원소 93이 레늄 아래의 에카레늄이며, 망가니즈와 레늄과 유사한 특성을 가질 것이라고 믿었다. 그러한 원소가 발견되었고, 페르미는 잠정적으로 그의 실험이 93개와 94개의 양성자를 가진 새로운 원소를 생성했다고 결론지었으며,^[47] 이를 아우세늄과 헤스페륨이라고 불렀다.^[48][49] 이 결과는 1934년 6월 네이처에 발표되었다.^[47] 그러나 이 논문에서 페르미는 "그러한 무거운 입자에 대한 신중한 탐색은 아직 수행되지 않았는데, 이는 그들의 관찰을 위해 활성 생성물이 매우 얇은 층 형태로 존재해야 하기 때문이다. 따라서 현재로서는 관련된 붕괴 사슬에 대해 확실한 가설을 세우는 것은 시기상조인 것 같다"고 경고했다.^[47] 회고적으로, 그들이 감지했던 것은 실제로 알려지지 않은 레늄과 유사한 원소인 테크네튬이었는데, 이것은 주기율표에서 망가니즈와 레늄 사이에 위치한다.^[45]

실라르드 레오와 토마스 A. 챌머스는 베릴륨에 작용하는 감마선에 의해 생성된 중성자가 페르미가 언급한 반응인 아이오딘에 포획된다고 보고했다. 마이트너가 그들의 실험을 반복했을 때, 그녀는 감마-베릴륨 선원에서 나오는 중성자가 아이오딘, 은, 금과 같은 무거운 원소에는 포획되지만, 나트륨, 알루미늄, 규소와 같은 가벼운 원소에는 포획되지 않는다는 것을 발견했다. 그녀는 느린 중성자가 빠른 중성자보다 포획될 가능성이 더 높다고 결론지었으며, 이 발견을 1934년 10월 《나투어비센샤프텐》(Naturwissenschaften)에 보고했다.^[50][51] 모두가 알파 입자와 양성자의 경우처럼 에너지 중성자가 필요하다고 생각했지만, 그것은 쿨롱 장벽을 극복하기 위해 필요했다. 중성자로 대전된 중성자는 핵 근처에서 더 많은 시간을 보낼 경우 핵에 포획될 가능성이 더 높았다. 며칠 후, 페르미는 그의 그룹이 알아차린 흥미로운 점을 고려했다. 우라늄이 실험실의 다른 부분에서 다르게 반응하는 것 같았다. 나무 탁자에서 수행된 중성자 조사는 같은 방의 대리석 탁자에서보다 더 많은 방사능을 유도했다. 페르미는 이에 대해 생각하고 중성자원과 우라늄 사이에 파라핀 조각을 놓아보았다. 이로 인해 활동이 극적으로 증가했다. 그는 중성자가 파라핀과 나무의 수소 원자와 충돌하여 느려졌다고 추론했다.^[52] 다고스티노의 이탈은 로마 그룹이 더 이상 화학자를 보유하지 않게 되었음을 의미했고, 라제티와 세그레의 후속 이탈은 그룹을 페르미와 아마르디로만 축소시켰고, 이들은 핵변환 연구를 포기하고 느린 중성자의 물리학 탐구에 집중했다.^[45]

1934년의 핵 모델은 1930년 조지 가모프가 처음 제안한 물방울 모형이었다.^[53] 그의 단순하고 우아한 모델은 카를 프리드리히 폰 바이츠제커에 의해, 그리고 중성자 발견 후에는 1935년 베르너 하이젠베르크와 1936년 닐스 보어에 의해 정제되고 발전되었다. 그것은 관찰 결과와 밀접하게 일치했다. 이 모델에서 핵자들은 양성자들 사이의 더 긴 거리의 쿨롱 전기적 반발을 극복할 수 있는 강한 핵력에 의해 가능한 가장 작은 부피(구형)에 함께 붙어 있었다. 이 모델은 21세기에도 특정 응용 분야에서 계속 사용되었으며, 그 특성에 관심 있는 수학자들의 주목을 받았다.^[54][55][56] 그러나 1934년 형태에서는 물리학자들이 이미 알고 있다고 생각했던 것을 확인시켜 주었다. 즉, 핵은 정적이며, 충돌로 알파 입자 이상이 떨어져 나갈 확률은 거의 0에 가깝다는 것이다.^[57]

발견

반대

페르미는 "중성자 조사로 생성된 새로운 방사성 원소의 존재를 입증하고, 느린 중성자에 의한 핵반응 관련 발견"으로 1938년 노벨 물리학상을 수상했다.^[2] 그러나 페르미의 결과 분석에 모두가 확신한 것은 아니었다. 이다 노다크는 1934년 9월에 새로운 무거운 원소 93을 생성하는 대신 다음과 같이 제안했다.

중성자를 사용하여 핵 붕괴를 일으킬 때, 양성자나 알파 입자로 원자핵을 폭격했을 때는 이전에 관찰되지 않았던 몇 가지 분명히 새로운 핵반응이 일어난다고 가정할 수도 있다. 과거에는 핵 변환이 전자, 양성자 또는 헬륨 핵의 방출과 함께만 일어난다는 것이 발견되었으므로, 무거운 원소들은 인접한 원소를 생성하기 위해 질량을 아주 적게만 변화시킨다. 무거운 핵이 중성자에 의해 폭격될 때, 핵이 여러 개의 큰 조각으로 부서질 수 있다고 상상할 수 있다. 물론 이 조각들은 알려진 원소의 동위 원소이겠지만, 조사된 원소의 이웃은 아닐 것이다.^[58]

노다크의 논문은 로마의 페르미 팀, 파리의 퀴리와 졸리오, 베를린의 마이트너와 한이 읽었다.^[45] 그러나 인용된 반론은 뒤쪽에 나오며, 페르미의 주장 중에서 그녀가 지적한 몇 가지 공백 중 하나일 뿐이다.^[59] 보어의 물방울 모형은 아직 정립되지 않았기 때문에, 우라늄 원자가 큰 조각으로 분리되는 것이 물리적으로 가능한지 계산할 이론적인 방법이 없었다.^[60] 노다크와 그녀의 남편인 발터 노다크는 레늄의 발견으로 노벨 화학상 후보에 올랐던 저명한 화학자들이었지만, 당시 그들은 "마수리움"이라고 부른 원소 43의 발견을 둘러싼 논쟁에도 휘말려 있었다. 에밀리오 지노 세그레와 카를로 페리에에 의한 테크네튬의 발견은 그들의 주장을 종식시켰지만, 이는 1937년까지는 일어나지 않았다. 마이트너나 퀴리가 노다크의 성별 때문에 그녀에게 편견을 가졌을 가능성은 낮지만,^[61] 마이트너는 한에게 "한, 당신은 물리학을 전혀 이해하지 못한다"고 말하는 것을 두려워하지 않았다.^[62] 같은 태도가 노다크에게도 이어졌는데, 그녀는 대안적인 핵 모델을 제안하지 않았고, 주장을 뒷받침할 실험도 수행하지 않았다. 노다크는 저명한 분석 화학자였지만, 그녀가 제안하고 있는 것의 중요성을 이해할 만한 물리학적 배경이 부족했다.^[59]

베를린에 있는 옛 카이저 빌헬름 화학 연구소 건물. 제2차 세계 대전 후 베를린 자유 대학교의 일부가 되었다. 1956년 오토 한 빌딩으로 개명되었고, 2010년 한-마이트너 빌딩으로 개명되었다.^[63][64]

노다크만이 페르미의 주장을 비판한 유일한 사람은 아니었다. 아리스티트 폰 그로세는 페르미가 발견한 것이 프로트악티늄의 동위 원소라고 제안했다.^[65][66] 마이트너는 페르미의 결과를 조사하고 싶었지만, 그녀는 고도로 숙련된 화학자가 필요하다는 것을 깨달았고, 그녀가 아는 최고의 화학자인 한과 협력하기로 했다. 비록 그들은 오랫동안 공동 작업하지 않았다. 처음에는 한이 관심이 없었지만, 폰 그로세가 프로트악티늄을 언급하자 그의 마음이 바뀌었다.^[67] 한은 나중에 "유일한 질문은 페르미가 초우라늄 원소의 동위 원소를 찾았는지, 아니면 다음으로 낮은 원소인 프로트악티늄의 동위 원소를 찾았는지였다. 그 당시 리제 마이트너와 나는 13분 동위 원소가 프로트악티늄 동위 원소인지 아닌지를 알아내기 위해 페르미의 실험을 반복하기로 결정했다. 그것은 논리적인 결정이었다. 왜냐하면 우리는 프로트악티늄의 발견자였기 때문이다."라고 썼다.^[68]

한과 마이트너는 프리츠 슈트라스만과 합류했다. 슈트라스만은 1929년 하노버 공과대학교에서 분석화학 박사 학위를 취득했으며,^[69] 취업 전망을 개선할 것이라고 믿고 한 밑에서 공부하기 위해 카이저 빌헬름 화학 연구소로 왔다. 그는 일과 사람들을 너무 좋아해서 1932년에 장학금이 만료된 후에도 계속 머물렀다. 1933년 독일에서 국가사회주의 독일 노동자당이 집권한 후, 그는 정치 교육과 나치당 가입이 필요하다는 이유로 고액의 취업 제안을 거절했으며, 독일노동전선의 일부가 된 독일 화학자 협회에서 사임했다. 그 결과, 그는 화학 산업에서 일할 수도 없었고, 독일에서 독립적인 연구자가 되기 위해 필요한 하빌리타치온도 받을 수 없었다. 마이트너는 한에게 소장의 특별 기금에서 돈을 사용하여 슈트라스만을 고용하도록 설득했다. 1935년, 슈트라스만은 반액 급여를 받는 조수가 되었다. 곧 그는 그들이 생산한 논문에서 공동 작업자로 인정받게 되었다.^[70]

1933년 공무원 직업 회복 법안은 유대인들을 공무원에서 해고했는데, 여기에는 학계도 포함되었다. 마이트너는 자신의 유대인 혈통을 결코 숨기려 하지 않았지만, 처음에는 여러 가지 이유로 그 영향에서 면제되었다. 그녀는 1914년 이전에 고용되었고, 제1차 세계 대전 동안 군 복무를 했으며, 독일 시민이 아닌 오스트리아 시민이었고, 카이저 빌헬름 연구소는 정부-산업 파트너십이었다.^[71] 그러나 그녀는 제1차 세계 대전 참전이 전선에서 이루어지지 않았고, 1922년까지 하빌리타치온을 마치지 못했다는 이유로 베를린 대학교의 겸임 교수직에서 해고되었다.^[72] 카이저 빌헬름 화학 연구소의 주요 후원자였던 IG 파르벤의 이사 카를 보슈는 마이트너에게 그곳에서의 그녀의 직위가 안전하다고 확신시켜 주었고, 그녀는 머물기로 동의했다.^[71] 마이트너, 한, 슈트라스만은 반나치 정치로 인해 나머지 조직과 점점 더 멀어지면서 개인적으로 더 가까워졌지만, 이는 행정 업무가 한과 마이트너의 조수들에게 위임되면서 그들에게 더 많은 연구 시간을 제공했다.^[70]

연구

뮌헨의 독일 박물관에 전시된 핵분열 장치. 탁자와 도구는 원본이며,^[73][74] 같은 방에 함께 있었을 리는 없다. 역사학자, 과학자, 페미니스트들의 압력으로 인해 박물관은 1988년에 전시물을 변경하여 리제 마이트너, 오토 로베르트 프리슈 및 프리츠 슈트라스만의 공헌을 인정했다.^[75]

베를린 그룹은 페르미가 사용했던 것과 유사한 라돈-베릴륨 선원으로부터 중성자를 사용하여 우라늄 염을 조사하는 것으로 시작했다. 분말 베릴륨은 밀봉된 캡슐에 라돈과 혼합되었다. 이것은 폴로늄-베릴륨 혼합물보다 훨씬 더 강력한 중성자 선원을 제공했다.^[76] 그들은 우라늄 염을 녹이고 칼륨 과레늄산염, 염화 백금(II), 수산화 나트륨을 첨가했다. 남아있는 것은 황화 수소로 산성화되어 황화 백금과 황화 레늄 침전을 생성했다. 페르미는 가장 오래 지속되는 반감기가 13분과 90분인 네 가지 방사성 동위 원소를 언급했으며, 이들은 침전물에서 검출되었다.^[77]

베를린 그룹은 용액에 프로트악티늄-234를 첨가하여 프로트악티늄의 존재를 테스트했다. 침전되었을 때, 이 물질은 13분 및 90분 반감기 동위 원소와 분리되어 폰 그로세가 틀렸고, 그것들이 프로트악티늄의 동위 원소가 아님을 입증했다. 더욱이, 관련된 화학 반응은 주기율표에서 수은 이상의 모든 원소를 배제했다.^[77] 그들은 90분 활동을 황화 오스뮴으로, 13분 활동을 황화 레늄으로 침전시킬 수 있었고, 이는 그들이 같은 원소의 동위 원소가 아님을 배제했다. 이 모든 것은 그들이 실제로 오스뮴과 레늄과 화학적 특성이 유사한 초우라늄 원소라는 강력한 증거를 제공했다.^[76][78]

페르미는 또한 빠른 중성자와 느린 중성자가 다른 활동을 생성했다고 보고했다. 이는 하나 이상의 반응이 일어나고 있음을 나타냈다. 베를린 그룹이 로마 그룹의 발견을 재현할 수 없게 되자, 그들은 빠른 중성자와 느린 중성자의 효과에 대한 자체 연구를 시작했다. 사고가 발생할 경우 방사능 오염을 최소화하기 위해, 다른 단계는 카이저 빌헬름 연구소 1층의 마이트너 섹션에 있는 다른 방에서 수행되었다. 중성자 조사는 한 연구실에서, 화학적 분리는 다른 연구실에서, 측정은 세 번째 연구실에서 수행되었다. 그들이 사용한 장비는 간단했으며 대부분 수제였다.^[79]

1936년 3월까지, 그들은 다양한 정도의 확실성을 가지고 10개의 다른 반감기를 식별했다. 이들을 설명하기 위해 마이트너는 (n, 2n) 반응의 새로운 종류와 우라늄의 알파 붕괴를 가설로 세워야 했는데, 이들은 이전에 보고된 적이 없었고 물리적 증거도 부족했다. 따라서 한과 슈트라스만이 화학적 절차를 개선하는 동안, 마이트너는 반응 과정에 더 많은 빛을 비추기 위한 새로운 실험을 고안했다. 1937년 5월, 그들은 《차이트슈리프트 퓌어 피지크》(Zeitschrift für Physik)에 마이트너를 주 저자로, 《헤미셰 베리히테》(Chemische Berichte)에 한을 주 저자로 하는 병렬 보고서를 발행했다.^[79][80][81] 한은 다음과 같이 강조하며 결론을 내렸다: "무엇보다도, 기존에 알려진 모든 원소들과의 화학적 차이점은 더 이상 논의할 필요가 없다."^[81]

마이트너는 점점 더 확신하지 못했다. 그들은 이제 세 가지 (n, γ) 반응을 구성했다.

1. 238
   92U + n → 239
   92U (10초) → 239
   93ekaRe (2.2분) → 239
   94ekaOs (59분) → 239
   95ekaIr (66시간) → 239
   96ekaPt (2.5시간) → 239
   97ekAu (?)
2. 238
   92U + n → 239
   92U (40초) → 239
   93ekaRe (16분) → 239
   94ekaOs (5.7시간) → 239
   95ekaIr (?)
3. 238
   92U + n → 239
   92U (23분) → 239
   93ekaRe

마이트너는 이것들이 (n, γ) 반응이어야 한다고 확신했는데, 느린 중성자는 양성자나 알파 입자를 떼어낼 에너지가 부족했기 때문이다. 그녀는 반응이 다른 우라늄 동위 원소에서 비롯되었을 가능성을 고려했다. 세 가지가 알려져 있었다. 우라늄-238, 우라늄-235, 우라늄-234. 그러나 그녀가 중성자 포획 단면적을 계산했을 때, 그것은 가장 풍부한 동위 원소인 우라늄-238 외에는 아무것도 될 수 없을 정도로 너무 컸다. 그녀는 이것이 이성질핵의 경우일 것이라고 결론지었는데, 이것은 1922년 한이 프로트악티늄에서 발견했던 것이다. 이성질핵은 1936년에 마이트너의 조수였지만 그 이후로 카이저 빌헬름 물리학 연구소에서 자리를 잡은 폰 바이츠제커에 의해 물리적 설명이 주어졌지만, 다른 프로트악티늄 이성질핵들은 다른 반감기를 가지고 있었고, 이것은 우라늄의 경우도 마찬가지일 수 있었다. 그러나 만약 그렇다면 그것은 딸과 손자 생성물에 의해 어떻게든 상속되고 있었는데, 이는 논증을 파탄 지점까지 늘리는 것처럼 보였다. 그리고 느린 중성자에서만 발생하는 세 번째 반응, 즉 (n, γ) 반응이 있었다.^[82] 따라서 마이트너는 한과는 매우 다른 어조로 보고서를 끝내며 다음과 같이 보고했다. "이 과정은 우라늄-238에 의한 중성자 포획이어야 하며, 이는 우라늄-239의 세 가지 이성질핵으로 이어진다. 이 결과는 현재의 핵 개념과 매우 조화시키기 어렵다."^[80][83]

2013년 비엔나 국제 센터에서 열린 핵분열 발견 75주년 기념 전시회. 마이트너와 슈트라스만의 이미지가 크게 전시되어 있다.

이후 베를린 그룹은 토륨 연구로 넘어갔는데, 슈트라스만은 "우라늄 작업의 공포로부터 회복하기 위해"라고 말했다.^[84] 그러나 토륨은 우라늄보다 다루기 쉽지 않았다. 우선, 토륨에는 붕괴 생성물인 라디오토륨(228
90Th)이 있었는데, 이는 약한 중성자 유도 활동을 압도했다. 그러나 한과 마이트너는 수년 동안 모체 동위 원소인 메소토륨(228
88Ra)을 정기적으로 제거하여 라디오토륨이 붕괴되도록 한 샘플을 가지고 있었다. 그럼에도 불구하고, 중성자 조사로 유도된 붕괴 생성물이 토륨 자체의 방사성 붕괴로 생성된 것과 동일한 원소의 동위 원소였기 때문에 다루기가 더 어려웠다. 그들이 발견한 것은 세 가지 다른 붕괴 계열로, 모두 알파 방출체였다. 이는 다른 무거운 원소에서는 발견되지 않는 붕괴 형태였으며, 마이트너는 다시 한번 다중 이성질체를 가정해야 했다. 그들은 흥미로운 결과를 발견했다. 2.5 메가전자볼트 빠른 중성자로 폭격했을 때, 이러한 (n, α) 붕괴 계열이 동시에 발생했다. 느린 중성자의 경우, 233
90Th를 형성하는 (n, γ) 반응이 선호되었다.^[85]

파리에서 이렌 퀴리와 파벨 사비치도 페르미의 발견을 재현하기 위해 나섰다. 한스 폰 할반과 피터 프라이스베르크와 협력하여 그들은 토륨을 조사했고 페르미가 언급했던 22분 반감기 동위 원소를 생성했다. 총 퀴리 그룹은 조사된 토륨에서 8가지 다른 반감기를 감지했다. 퀴리와 사비치는 3.5시간 반감기를 가진 방사성 물질을 감지했다.^[45][39][86] 파리 그룹은 그것이 토륨의 동위 원소일 수 있다고 제안했다. 마이트너는 현재 대부분의 화학 작업을 수행하고 있던 슈트라스만에게 확인해 달라고 요청했다. 그는 토륨의 흔적을 감지하지 못했다. 마이트너는 그들의 결과를 퀴리에게 편지로 쓰고 조용한 철회를 제안했다.^[87] 그럼에도 불구하고 퀴리는 끈질기게 매달렸다. 그들은 화학을 조사했고, 3.5시간 활동이 란타넘과 화학적으로 유사한 것(실제로 그랬다)에서 비롯된다는 것을 발견했는데, 그들은 분별 결정 과정으로 이를 분리하려고 시도했지만 실패했다. (그들의 침전물이 화학적으로 유사한 이트륨으로 오염되었을 가능성이 있다.) 가이거 계수기를 사용하고 화학적 침전을 건너뛰어, 퀴리와 사비치는 조사된 우라늄에서 3.5시간 반감기를 감지했다.^[88]

1938년 3월 12일 독일과 오스트리아의 통일인 안슐루스로 마이트너는 오스트리아 시민권을 잃었다.^[89] 제임스 프랑크는 그녀의 미국 이민을 후원하겠다고 제안했고, 보어는 그의 연구소에서 임시직을 제안했지만, 그녀가 비자를 위해 덴마크 대사관에 갔을 때, 덴마크가 더 이상 그녀의 오스트리아 여권을 유효한 것으로 인정하지 않는다는 말을 들었다.^[90] 1938년 7월 13일, 마이트너는 네덜란드 물리학자 디르크 코스터와 함께 네덜란드로 떠났다. 떠나기 전에 오토 한은 그녀에게 그의 어머니에게서 물려받은 다이아몬드 반지를 필요하면 팔라고 주었다. 그녀는 안전에 도달했지만, 여름옷만 가지고 있었다. 마이트너는 나중에 그녀가 지갑에 10마르크를 가지고 독일을 영원히 떠났다고 말했다. 코스터와 아드리안 포커의 도움으로 그녀는 코펜하겐으로 날아갔고, 거기서 프리슈의 영접을 받았고, 티스빌데에 있는 닐스와 마르그레테 보어의 별장에서 머물렀다. 8월 1일 그녀는 스톡홀름으로 기차를 타고 갔고, 거기서 에바 폰 바르의 영접을 받았다.^[91]

해석

파리 그룹은 1938년 9월에 그들의 연구 결과를 발표했다.^[88] 한은 3.5시간 반감기를 가진 동위 원소를 오염으로 치부했지만, 파리 그룹의 실험 세부 사항과 붕괴 곡선을 본 후 슈트라스만은 걱정했다. 그는 라듐 분리 효율을 높인 자신의 방법을 사용하여 실험을 반복하기로 결정했다. 이번에는 그들이 라듐이라고 생각한 것을 발견했고, 한은 이것이 두 번의 알파 붕괴에서 비롯된 것이라고 제안했다.

238
92U + n → α + 235
90Th → α + 231
88Ra

마이트너는 이것을 믿기 매우 어려워했다.^[92][93]

핵분열의 메커니즘. 중성자가 핵을 흔들고, 늘리고, 분열시켰다.

11월, 한은 코펜하겐으로 가서 보어와 마이트너를 만났다. 그들은 그에게 제안된 라듐 이성질체에 대해 매우 불만족스러워했다고 말했다. 마이트너의 지시에 따라 한과 슈트라스만은 페르미가 스톡홀름에서 노벨상을 수상하는 중에도 실험을 다시 시작했다.^[94] 클라라 리버와 일름가르트 보네의 도움을 받아 한과 슈트라스만은 세 가지 라듐 동위 원소를 분리하고(그들의 반감기로 확인됨) 브롬화 바륨 결정을 네 단계로 첨가하여 바륨 운반체로부터 분리하기 위해 분별 결정법을 사용했다. 라듐은 브롬화 바륨 용액에서 우선적으로 침전되므로, 각 단계에서 추출된 부분은 이전 부분보다 라듐 함량이 적을 것이다. 그러나 그들은 각 부분 사이에 차이가 없다는 것을 발견했다. 그들의 과정에 어떤 오류가 있을 경우를 대비하여, 그들은 알려진 라듐 동위 원소로 이를 확인했다. 과정은 정상이었다. 한과 슈트라스만은 네 번째 라듐 동위 원소를 발견했다. 그들의 반감기는 한과 슈트라스만에 의해 다음과 같이 정식화되었다.

${\displaystyle \mathrm {Ra\ I?} _{}^{}\ {\xrightarrow[{\mathrm {<} \ {\text{1 min.}}}]{{\text{ }}\mathrm {\beta } }}\mathrm {\ Ac\ I\ } {\xrightarrow[{\mathrm {<} \ {\text{30 min.}}}]{{\text{ }}\mathrm {\beta } }}\mathrm {\ Th?} }$

${\displaystyle \mathrm {Ra\ II} _{}^{}\ {\xrightarrow[{{\text{14}}\ \mathrm {\pm } \ {2min.}}]{{\text{ }}\mathrm {\beta } }}\mathrm {\ Ac\ II\ } {\xrightarrow[{\mathrm {\sim } \ {\text{2,5 h.}}}]{{\text{ }}\mathrm {\beta } }}\mathrm {\ Th?} }$

${\displaystyle \mathrm {Ra\ III} _{}^{}\ {\xrightarrow[{{\text{86}}\ \mathrm {\pm } \ {6min.}}]{{\text{ }}\mathrm {\beta } }}\mathrm {\ Ac\ III\ } {\xrightarrow[{\mathrm {\sim } \ {\text{couple of days?}}}]{{\text{ }}\mathrm {\beta } }}\mathrm {\ Th?} }$

${\displaystyle \mathrm {Ra\ IV} _{}^{}\ {\xrightarrow[{\text{250-300 hrs.}}]{{\text{ }}\mathrm {\beta } }}\mathrm {\ Ac\ IV\ } {\xrightarrow[{\text{40 hrs.}}]{{\text{ }}\mathrm {\beta } }}\mathrm {\ Th?} }$

12월 19일, 한은 마이트너에게 편지를 보내 라듐 동위 원소가 화학적으로 바륨처럼 행동한다고 알렸다. 크리스마스 휴가 전에 작업을 마무리하기 위해 한과 슈트라스만은 마이트너의 답변을 기다리지 않고 12월 22일 《나투어비센샤프텐》에 그들의 발견을 제출했다.^[95] 한은 원자핵의 "파열"이 일어났다는 것을 이해했지만,^[96][97] 그 해석에 대해서는 확신하지 못했다. 한은 《나투어비센샤프텐》 논문을 다음과 같이 결론지었다: "화학자로서... 우리는 Ra, Ac, Th 대신 Ba, La, Ce 기호를 사용해야 한다. 그러나 물리학에 상당히 가까운 '핵화학자'로서 우리는 이전의 모든 물리학적 경험에 모순되는 이 단계를 아직 감히 밟을 수 없다."^[98]

프리슈는 평소 베를린에서 마이트너와 함께 크리스마스를 보냈지만, 1938년 그녀는 에바 폰 바르의 초대를 받아 쿵엘브에 있는 그녀의 가족과 함께 보내기로 했고, 마이트너는 프리슈에게 그곳으로 함께 가자고 요청했다. 마이트너는 중성자로 우라늄을 폭격하여 얻은 생성물 중 일부가 바륨이라는 화학적 증명을 묘사한 한의 편지를 받았다. 바륨은 우라늄보다 원자 질량이 40% 적었으며, 이전에는 알려진 어떠한 방사성 붕괴 방법으로도 핵 질량의 그렇게 큰 차이를 설명할 수 없었다.^[99][100]

그럼에도 불구하고 그녀는 즉시 한에게 답장을 보내 이렇게 말했다: "현재로서는 그러한 철저한 파열 가설이 매우 어렵게 느껴지지만, 핵물리학에서는 너무 많은 놀라움을 경험했기 때문에 무조건적으로 '불가능하다'고 말할 수는 없습니다."^[101] 마이트너는 한이 초보적인 실수를 저지를 정도로 너무 조심스러운 화학자라고 생각했지만, 그 결과를 설명하기는 어려웠다. 기록된 모든 핵반응은 핵에서 양성자나 알파 입자를 떼어내는 것을 포함했다. 핵을 분열시키는 것은 훨씬 더 어려워 보였다. 그러나 가모프가 가설로 세운 물방울 모형은 원자핵이 길어지고 핵을 결합시키는 표면 장력을 극복할 가능성을 시사했다.^[102]

프리슈는 이렇게 말했다.

그 순간 우리는 둘 다 나무 그루터기에 앉았고(이 모든 논의는 눈 속에서 스키를 신고 리제 마이트너는 스키 없이도 같은 속도로 걸을 수 있다고 주장하며 숲을 걷는 동안 일어났다), 종이 조각에 계산을 시작했다. 우라늄 핵의 전하는 실제로 표면 장력의 효과를 거의 완전히 극복할 만큼 충분히 컸다. 따라서 우라늄 핵은 단 하나의 중성자의 충격과 같은 아주 작은 자극에도 분열할 준비가 된 매우 흔들리는 불안정한 물방울과 같을 수 있었다.

그러나 또 다른 문제가 있었다. 분리 후, 두 방울은 상호 전기적 반발력에 의해 서로 밀려나서 높은 속도, 즉 총 약 200 MeV의 매우 큰 에너지를 얻을 것이다. 그 에너지는 어디에서 왔을까? 다행히 리제 마이트너는 핵 질량을 계산하는 경험적 공식을 기억하고 있었고, 우라늄 핵의 분열로 형성된 두 핵이 원래 우라늄 핵보다 양성자 질량의 약 5분의 1만큼 가벼울 것이라고 계산했다. 질량이 사라질 때마다 알베르트 아인슈타인의 공식 ${\displaystyle E=m\,c^{2}}$에 따라 에너지가 생성되며, 양성자 질량의 5분의 1은 정확히 200 MeV에 해당했다. 따라서 이것이 그 에너지의 원천이었다. 모든 것이 들어맞았다!^[102]

마이트너와 프리슈는 한의 결과를 정확히 해석하여 우라늄 핵이 거의 절반으로 분열되었다는 것을 의미한다고 보았다. 베를린 그룹이 관찰한 처음 두 반응은 우라늄 핵의 파열로 생성된 가벼운 원소들이었고, 세 번째, 23분 지속되는 반응은 실제 원소 93으로의 붕괴였다.^[103] 코펜하겐으로 돌아온 프리슈는 보어에게 이 소식을 알렸고, 보어는 이마를 치며 "우리가 얼마나 바보였던가!"라고 외쳤다.^[104] 보어는 그들이 논문을 출판할 준비가 될 때까지 아무 말도 하지 않겠다고 약속했다. 과정을 서두르기 위해 그들은 네이처에 한 페이지짜리 짧은 글을 제출하기로 결정했다. 이 시점에서 그들이 가지고 있던 유일한 증거는 바륨이었다. 논리적으로 바륨이 형성되었다면 다른 원소는 크립톤이어야 했지만,^[105] 한은 원자 질량이 239가 아니라 원자 번호가 92가 되어야 한다고 잘못 믿었고, 그것이 마수리움(테크네튬)이라고 생각하여 확인하지 않았다.^[106]

235
92U + n →
56Ba +
36Kr + 일부 n

일련의 장거리 전화 통화 끝에 마이트너와 프리슈는 자신들의 주장을 뒷받침할 간단한 실험을 고안해냈다. 즉, 알파 입자의 임계값보다 높게 설정된 가이거 계수기를 사용하여 핵분열 파편의 반동을 측정하는 것이었다. 프리슈는 1939년 1월 13일에 실험을 수행했고, 그들이 예측했던 대로 반응으로 인한 펄스를 발견했다.^[105] 그는 새로 발견된 핵 과정에 이름을 붙여야겠다고 생각했다. 그는 헤베시와 함께 일하는 미국 생물학자인 윌리엄 A. 아놀드에게 생물학자들이 살아있는 세포가 두 개의 세포로 분열하는 과정을 무엇이라고 부르는지 물었다. 아놀드는 생물학자들이 그것을 분열이라고 부른다고 말했다. 프리슈는 그 이름을 그의 논문에서 핵 과정에 적용했다.^[107] 프리슈는 1939년 1월 16일에 핵분열에 대한 공동 저작 논문과 반동 실험에 대한 논문을 네이처에 보냈고, 전자는 2월 11일에, 후자는 2월 18일에 인쇄되었다.^[108][109] 1939년 2월 핵분열에 대한 두 번째 출판물에서 한과 슈트라스만은 처음으로 우라늄 분열(Uranspaltung)이라는 용어를 사용했으며, 핵분열 과정 동안 추가 중성자의 존재와 방출을 예측하여 핵 연쇄 반응의 가능성을 열었다.^[110] 1959년 3월 8일 인터뷰에서 마이트너는 다음과 같이 말했다. "그것[핵분열의 발견]은 한과 슈트라스만에 의해 이례적으로 훌륭한 화학으로, 당시에는 누구도 할 수 없었던 환상적으로 훌륭한 화학으로 달성되었다. 나중에 미국인들이 그것을 배웠다. 그러나 그 당시 한과 슈트라스만이 그렇게 훌륭한 화학자들이었기 때문에 그것을 할 수 있는 유일한 사람들이었다. 그들은 말하자면 화학으로 물리적 과정을 실제로 입증했다."^[111]

반응

미국에 소식을 전달한 보어

1939년 1월 7일 아들 에리크와 함께 제5차 워싱턴 이론물리학 회의에 참석하기 위해 미국으로 떠나기 전에 보어는 프리슈에게 논문이 인쇄될 때까지 핵분열에 대해 언급하지 않겠다고 약속했지만 SS 드롯닝홀름을 타고 대서양을 횡단하는 동안 레온 로젠펠트와 핵분열 메커니즘에 대해 논의했고, 이 정보가 기밀이라는 것을 그에게 알리지 못했다. 1월 16일 뉴욕에 도착했을 때 그들은 페르미와 그의 아내 라우라 카폰, 그리고 1934-1935년에 보어 연구소의 펠로우였던 존 휠러를 만났다. 공교롭게도 그날 저녁 프린스턴 대학교의 물리학 저널 클럽 모임이 있었고, 휠러가 로젠펠트에게 보고할 소식이 있는지 묻자 로젠펠트가 그들에게 말했다.^[112] 당황한 보어는 마이트너와 프리슈의 발견 우선권을 옹호하는 메모를 네이처에 급히 보냈다.^[113] 한은 보어가 메모에서 그와 슈트라스만의 작업을 언급하면서도 마이트너와 프리슈만을 인용한 것에 대해 불쾌해했다.^[114]

새로운 발견에 대한 소식은 빠르게 퍼져 나갔는데, 이는 엄청난 과학적 잠재력과 잠재적인 실용적 가능성을 가진 완전히 새로운 물리적 효과로 정확하게 인식되었다. 프린스턴에서 일하던 두 컬럼비아 대학교 물리학자인 이시도르 아이작 라비와 윌리스 유진 램은 이 소식을 듣고 컬럼비아로 다시 전했다. 라비는 자신이 페르미에게 말했다고 했지만, 페르미는 램에게 공을 돌렸다. 페르미에게 이 소식은 깊은 당혹감으로 다가왔다. 왜냐하면 그가 노벨상 수상의 일부로 인정받았던 초우라늄 원소들이 초우라늄 원소가 아니라 핵분열 생성물이었기 때문이다. 그는 노벨상 수상 연설에 이러한 내용을 담은 각주를 추가했다. 보어는 곧 프린스턴에서 컬럼비아로 가서 페르미를 만났다. 페르미를 그의 사무실에서 찾지 못한 보어는 사이클로트론 구역으로 내려가 허버트 L. 앤더슨을 발견했다. 보어는 그의 어깨를 잡고 말했다.

“

젊은이, 물리학의 새롭고 흥미로운 것에 대해 설명해 주겠네.[115]

”

추가 연구

컬럼비아 대학교의 많은 과학자들은 중성자 폭격에 의한 우라늄의 핵분열에서 방출되는 에너지를 감지해야 한다고 분명히 생각했다. 1939년 1월 25일, 컬럼비아 대학교 그룹은 미국에서 첫 핵분열 실험을 수행했다.^[116] 이 실험은 퍼핀 홀 지하에서 진행되었다. 실험은 이온화실 안에 산화 우라늄을 넣고 중성자를 조사하여 방출되는 에너지를 측정하는 것을 포함했다. 다음 날, 조지 워싱턴 대학교와 워싱턴 카네기 연구소의 공동 후원으로 제5차 워싱턴 이론 물리학 회의가 워싱턴 D.C.에서 시작되었다. 그곳에서 핵분열에 대한 소식은 더욱 퍼져 나갔고, 이는 더 많은 실험적 시연을 촉진했다.^[117]

보어와 휠러는 핵분열의 메커니즘을 설명하기 위해 액체 방울 모형을 개편했고, 눈에 띄는 성공을 거두었다.^[118] 그들의 논문은 1939년 9월 1일, 폴란드 침공으로 유럽에서 제2차 세계 대전이 시작된 날 피지컬 리뷰에 실렸다.^[119] 실험 물리학자들이 핵분열을 연구하면서, 그들은 더 많은 당혹스러운 결과를 발견했다. 게오르크 플라체크는 보어에게 왜 우라늄이 매우 빠른 중성자와 매우 느린 중성자 모두에 의해 핵분열하는지 물었다. 휠러와의 회의로 가는 길에 보어는 저에너지 핵분열은 우라늄-235 동위 원소 때문이고, 고에너지 핵분열은 훨씬 더 풍부한 우라늄-238 동위 원소 때문이라는 통찰을 얻었다.^[120] 이것은 마이트너의 1937년 중성자 포획 단면적 측정에 기반한 것이었다.^[121] 이것은 1940년 2월, 알프레드 니어가 존 R. 더닝, 아리스티트 폰 그로세 및 유진 T. 부스가 테스트할 수 있을 만큼 충분히 순수한 우라늄-235를 생산할 수 있게 된 후 실험적으로 입증될 것이다.^[113]

다른 과학자들은 23분 반감기에서 비롯된다는 것을 이제 알게 되었으므로 간단해 보이는 찾기 어려운 원소 93을 계속 찾았다. 버클리 방사선 연구소에서 에밀리오 지노 세그레와 에드윈 맥밀런은 사이클로트론을 사용하여 동위 원소를 생성했다. 그들은 그 후 2일 반감기를 가진 베타 활동을 감지했지만, 그것은 희토류 원소의 화학적 특성을 가지고 있었고, 원소 93은 레늄과 유사한 화학적 특성을 가져야 했다. 따라서 그것은 단지 또 다른 핵분열 생성물로 간과되었다. 1년이 더 지난 후에야 맥밀런과 필립 아벨슨은 2일 반감기 원소가 찾기 어려운 원소 93의 것이며, 이를 "넵투늄"이라고 명명했다. 그들은 1941년 글렌 시보그, 에밀리오 지노 세그레 및 조셉 W. 케네디에 의한 원소 94, "플루토늄" 발견의 길을 열었다.^[122][123]

마이트너가 주도한 또 다른 연구 분야는 다른 원소들도 중성자에 노출된 후 핵분열할 수 있는지 여부를 확인하는 것이었다. 곧 토륨과 프로트악티늄도 핵분열할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 방출되는 에너지의 양에 대한 측정 또한 이루어졌다.^[21] 한스 폰 할반, 프레데리크 졸리오퀴리, 루 코바르스키는 중성자에 폭격된 우라늄이 흡수한 것보다 더 많은 중성자를 방출하여 핵 연쇄 반응의 가능성을 시사한다는 것을 입증했다.^[124] 페르미와 앤더슨도 몇 주 후에 그렇게 했다.^[125][126] 많은 과학자들에게 이론적으로는 극도로 강력한 에너지원을 만들 수 있다는 것이 분명했지만, 대부분은 여전히 원자폭탄이 불가능하다고 여겼다.^[127]

노벨상

한과 마이트너는 방사성 동위 원소와 프로트악티늄 연구로 핵분열 발견 전에도 여러 차례 화학 및 물리학 노벨상 후보에 지명되었다. 1940년부터 1943년 사이에 핵분열 발견으로 더 많은 지명이 이어졌다.^[27][28] 노벨상 지명은 각 상에 대해 5명의 위원회에서 심사했다. 한과 마이트너 모두 물리학 분야에서 지명을 받았지만, 방사능과 방사성 원소는 전통적으로 화학 분야로 간주되었으므로 노벨 화학 위원회는 1944년에 지명을 평가했다.^[128]

위원회는 1941년 테오도르 스베드베리와 1942년 아르네 웨스트그렌(스웨덴어판)으로부터 보고서를 받았다. 이 화학자들은 한의 작업에 깊은 인상을 받았지만, 마이트너와 프리슈의 실험 작업은 특별하지 않다고 느꼈다. 그들은 물리학계가 그들의 작업을 중요한 것으로 여긴 이유를 이해하지 못했다. 슈트라스만에 대해서는, 그의 이름이 논문에 있었음에도 불구하고, 협력에서 가장 선임 과학자에게 상을 수여하는 오랜 정책이 있었다. 1944년 노벨 화학 위원회는 한만이 1944년 노벨 화학상을 수상해야 한다고 권고하는 데 투표했다.^[128] 그러나 독일인들은 1936년 노벨 평화상이 카를 폰 오시에츠키에게 수여된 이후 노벨상 수상을 금지당했다.^[129] 위원회의 권고는 스웨덴 왕립 과학한림원에 의해 거부되었고, 아카데미는 수상을 1년 연기하기로 결정했다.^[128]

아카데미가 1945년 9월에 수상을 재고했을 때 전쟁은 끝났다. 노벨 화학 위원회는 이제 더 신중해졌는데, 맨해튼 계획에 의해 미국에서 많은 연구가 비밀리에 수행되었다는 것이 분명해졌고, 1944년 노벨 화학상을 1년 더 연기할 것을 제안했다. 아카데미는 예란 릴리예스트란드의 주장에 설득당했는데, 그는 아카데미가 연합국으로부터의 독립성을 주장하고, 프리츠 하버에게 수여했던 제1차 세계 대전 이후처럼 독일인에게 노벨 화학상을 수여하는 것이 중요하다고 주장했다.^[130] 따라서 한은 1944년 노벨 화학상을 "무거운 핵의 핵분열 발견"에 대한 단독 수상자가 되었다.^[131]

마이트너는 1945년 11월 20일 친구 비르기트 브룸-아미노프에게 보낸 편지에서 다음과 같이 썼다.

한은 분명히 화학 노벨상을 받을 자격이 있었다. 이에 대해서는 의심의 여지가 없다. 그러나 오토 로베르트 프리슈와 나는 우라늄 핵분열 과정의 명확화, 즉 그것이 어떻게 발생하고 그렇게 많은 에너지를 생산하는지에 대해 결코 무시할 수 없는 기여를 했다고 생각한다. 그리고 그것은 한과는 매우 거리가 먼 것이었다. 이러한 이유로 나는 신문에서 내가 슈트라스만과 같은 의미에서 한의 조수[subordinate]로 불리는 것이 다소 불공평하다고 생각했다.^[132]

1946년, 노벨 물리학 위원회는 막스 폰 라우에, 닐스 보어, 오스카르 클라인, 에길 힐레라스, 제임스 프랑크로부터 받은 마이트너와 프리슈에 대한 지명을 검토했다. 1945년과 1946년에 스톡홀름 대학교의 실험 물리학 교수였던 에릭 훌트헨이 위원회를 위해 보고서를 작성했다. 훌트헨은 이론 물리학은 위대한 실험을 고취했을 때만 상을 받을 가치가 있다고 주장했다. 핵분열을 처음으로 이해하고 설명하는 데 있어 마이트너와 프리슈의 역할은 이해되지 않았다. 개인적인 요인도 있었을 수 있다. 위원회 의장인 만네 시그반은 마이트너를 싫어했고, 클라인과 직업적 경쟁 관계에 있었다.^[128][133] 마이트너와 프리슈는 수년 동안 계속해서 정기적으로 지명되었지만, 결코 노벨상을 수상하지 못했다.^{[28][128][134]}

역사와 기억

유럽 전쟁이 끝날 무렵, 한은 체포되어 팜 홀에 수감되었는데, 그와 함께 독일 핵무기 프로그램에 참여했던 다른 9명의 선임 과학자들도 함께 수감되었다. 막스 폰 라우에를 제외한 모든 사람이 핵무기 프로그램에 관여했으며, 한과 파울 하르테크를 제외한 모든 사람이 물리학자였다. 그들은 이곳에서 히로시마·나가사키 원자폭탄 투하 소식을 들었다. 그들이 미국인들보다 몇 년 뒤쳐졌다는 것을 받아들이려 하지 않았고, 그들의 대화가 녹음되고 있다는 것을 몰랐던 그들 중 많은 사람들은 대화에서 애초에 그들의 핵무기 프로그램이 성공하기를 원하지 않았다고 말했다. 한은 그들을 믿지 않았다. 한은 1945년 11월 노벨상 발표가 있을 때까지 그곳에 있었다. 팜 홀 과학자들은 나치 시대에 더럽혀진 독일 과학의 이미지를 회복하기 위해 남은 평생을 보냈다.^[135][136] 그들의 실험을 위해 우라늄 광석을 채굴한 작센하우젠 강제 수용소의 수천 명의 여성 노예 노동자들과 같은 불편한 세부 사항들은 은폐되었다.^[137]

1946년 물리학자 아서 H. 콤프턴과 배우 캐서린 코넬과 함께한 리제 마이트너

한에게 이것은 필연적으로 핵분열 발견의 공로를 자신, 화학, 그리고 독일에 주장하는 것을 포함했다. 그는 노벨상 수상 연설을 사용하여 이러한 서술을 주장했으며,^[135][136] 그의 노벨 강연에서 마이트너와 슈트라스만의 참여를 모두 언급했다. 한의 메시지는 독일에서 강하게 울려 퍼졌는데, 그는 나치 정권에 대한 확고한 반대자였지만 독일에 남아 순수 과학을 추구했던 본보기적인 선량한 독일인으로 칭송받았다. 1946년부터 1960년까지 막스 플랑크 협회의 회장으로서 그는 독일 과학이 나치즘에 의해 더럽혀지지 않고 탁월함이 줄어들지 않았다는 이미지를 믿고 싶어 하는 대중에게 투영했다.^[75] 제2차 세계 대전 후, 한은 군사 목적의 핵 에너지 사용에 강력히 반대했다. 그는 자신의 과학적 발견이 그러한 목적으로 사용되는 것을 오용, 심지어 범죄로 여겼다. 로렌스 바다시는 다음과 같이 썼다.

전쟁 중 무기 제조를 위한 과학의 변질을 인지하고 전후에 자국 과학 노력의 방향을 계획했던 그의 활동은 이제 그를 사회적 책임의 대변인으로 더욱 기울게 했다.^[138]

대조적으로, 전쟁 직후 영어권 국가에서는 마이트너와 프리슈가 핵분열의 발견자로 칭송받았다. 일본은 독일의 괴뢰정권으로 여겨졌고 히로시마와 나가사키의 파괴는 유대인 박해에 대한 시적인 정의로 간주되었다.^[139][140] 1946년 1월, 마이트너는 미국을 순회하며 강연을 하고 명예 학위를 받았다. 그녀는 맨해튼 계획의 책임자였던 레슬리 그로브스 미국 육군 중장을 위한 칵테일 파티에 참석했고(그는 1962년 회고록에서 핵분열 발견의 모든 공로를 그녀에게 돌렸다), 여성 국립 언론 클럽에 의해 올해의 여성으로 선정되었다. 이 상을 위한 리셉션에서 그녀는 해리 S. 트루먼 미국 대통령 옆에 앉았다. 그러나 마이트너는 대중 연설, 특히 영어로 하는 연설을 즐기지 않았고, 유명인의 역할도 좋아하지 않아 웰즐리 칼리지의 초빙 교수직 제안을 거절했다.^[141][142] 한은 1948년에 마이트너와 프리슈를 노벨 물리학상 후보로 지명했다.^[143] 그와 마이트너는 전쟁 후에도 친한 친구로 남았다.^[144]

1956년 제막된 베를린의 한과 슈트라스만의 핵분열 발견 기념 명판

1966년, 미국 원자력위원회는 핵분열 발견에 대한 엔리코 페르미 상을 한, 슈트라스만, 마이트너에게 공동으로 수여했다. 시상식은 비엔나의 호프부르크 궁전에서 열렸다.^[145] 엔리코 페르미 상이 비미국인에게 수여된 것은 처음이었고, 여성에게 수여된 것도 처음이었다.^[146] 마이트너의 졸업장에는 "자연 발생 방사능에 대한 선구적인 연구와 핵분열 발견으로 이어진 광범위한 실험 연구"라는 문구가 새겨져 있었다.^[147] 한의 졸업장은 약간 달랐다. "자연 발생 방사능에 대한 선구적인 연구와 핵분열 발견으로 절정에 달한 광범위한 실험 연구"였다.^[148] 한과 슈트라스만은 참석했지만, 마이트너는 너무 아파 참석할 수 없었기에 프리슈가 그녀를 대신하여 상을 받았다.^[149]

1978년 아인슈타인, 한, 마이트너, 폰 라우에의 100번째 생일을 기념하는 독일의 공동 축하 행사에서 핵분열 발견에 대한 한의 서사는 무너지기 시작했다. 한과 마이트너는 1968년에 사망했지만, 슈트라스만은 여전히 살아 있었고, 그는 발견에서 자신의 분석 화학과 마이트너의 물리학의 중요성, 그리고 그들이 단순한 조수 이상이었다는 역할을 주장했다. 슈트라스만에 대한 상세한 전기는 그가 사망한 지 1년 후인 1981년에, 마이트너에 대한 수상작은 1986년에 청소년을 위해 출판되었다. 과학자들은 화학에 대한 초점에 의문을 제기했고, 역사학자들은 나치 시대에 대한 통용되는 서사에 이의를 제기했으며, 페미니스트들은 마이트너를 여성이 역사의 페이지에서 지워지는 또 다른 사례인 마틸다 효과로 보았다. 1990년까지 마이트너는 서사에 복원되었지만, 그녀의 역할은 여전히 논쟁의 여지가 있었고, 특히 독일에서 그러했다.^[75]

베를린 시절 한과 마이트너의 동료이자 팜 홀에서 한과 동료 수감자였던 바이츠제커는 핵분열 발견에서 한의 역할을 강력히 지지했다.^[97] 그는 1991년 7월 4일 뮌헨의 독일 박물관 에렌잘 (명예의 전당)에 마이트너의 흉상을 공식적으로 포함하는 행사에서 모인 청중에게 마이트너도 물리학도 핵분열 발견에 기여하지 않았으며, 이는 "한의 발견이지 리제 마이트너의 것이 아니다"라고 선언했다.^[75]