33.jpg
55.jpg

KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 코스모스

  • 블랙 페이스 북 아이콘
  • 블랙 인스 타 그램 아이콘

[지식더하기] 저온물리학의 창시자, 카메를링 오네스

2019년 4월 26일 업데이트됨

물리학의 새로운 세계를 개척하기 위하여 물리학도가 가져야 할 자질이 있다면 그중에서도 가장 중요한 것은 도전정신이 아닐까 생각된다. 오늘은 많은 과학자들 중에서 띄어난 도전정신으로 대단한 발견을 이루어낸 하이케 카메를링 오너스에 대해서 소개하고자 한다.


낮은 온도에 도달하기 위한 경쟁의 시작

1848년, 윌리엄 톰슨(William Thomson, 1824~1907년)은 세상에 최저 온도가 존재한다고 알리고 그 온도를 절대 온도라 명명했다. 자신의 이름을 따서 절대온도의 단위를 켈빈으로 짓기도 하였다. 그 이후부터 절대영도보다 낮은 온도에 도달하기 위한 노력이 시작되었다. 몇 년이 지난 후 1852년, 켈빈과 제임스 줄은 함께 연구하여 톰슨-줄 효과를 밝혀냈다. 톰슨-줄 효과란 압축된 기체를 좁은 구멍을 통해 팽창시켰을 때 기체가 냉각된다는 것이었다. 쉬지않고 무작위로 움직이고 있는 기체 입자들은 수시로 충돌하여 내부에너지를 만들어 낸다. 기체를 압축시키면 기체 분자 간의 거리가 가까워 져서 상대적으로 더 많이 충돌한다. 압축된 기체를 급격히 팽창 시키면 분자간의 거리가 멀어져서 상대적으로 적은 수의 충돌이 일어나므로 온도가 감소한다. 이러한 원리로써, 기체는 반복적으로 압축되었다가 팽창됨으로써 냉각될 수 있다. 이러한 방법으로 임계온도 이하에 이르면, 압력을 증가시켜 기체를 액화시킬 수 있었다. 이러한 방법으로 과학자들은 친숙한 기체들을 하나하나 액화하기 시작했다. 최초로 액화된 것은 공기였다. 다음으로는 산소와 질소가 각각 약 영하 170K에서 액화 되었다. 올체프스키, 린데, 그리고 햄프손은 다양한 방법으로 액체산소와 공기를 제조하였다. 절대 영도를 향한 목표에 한 걸음씩 다가가 결국 수소와 헬륨기체의 액화만 남게 되었다. 그리고 두 기체를 액화하기 위한 선의의 경쟁이 영국의 화학자 듀어와 네델란드의 물리학자 오네스 사이에서 벌어졌다.


오네스, 헬륨 액화에 성공하다

1898년, 제임스 듀어는 실험적 어려움을 극복하고 오네스 보다 먼저 수소 응축에 성공하였다. 수소는 절대영도 위의 온도, 겨우 33K로 내려가서야 액화되었다. 그가 발명한 듀어 플라스크는 진공을 이용하여 열의 흐름을 제한하는 방법으로 액체를 차갑게 유지하는 데에 도움을 주었다. 이렇게 많은 과학자들의 도전으로, 대부분의 기체가 액화되었고, 약 20K의 저온까지 도달하였다.


과학자들이 더 낮은 온도에 도달하기 위해 노력하는 중에도, 1895년 대기에서 발견된 헬륨만은 쉽게 액화되지 않았다. 헬륨을 액화시키기 위해서는 그보다 더 낮은 온도가 필요했다. 올체프스키와 듀어, 트레버스와 자크로드는 액체 헬륨을 만들기 위해 수많은 방법으로 시도했지만, 계속 실패하였다. 이후 사람들은 헬륨을 액화시키는 것은 불가능한 일이라고 생각하기에 이르렀다.


헬륨 액화라는 높은 장벽을 깨트린 사람이 바로 네덜란드의 물리학자 하이케 카메를링 오네스(Heike Kamerlingh Onnes, 1853~1926년)이다. 하이케 카메를링 오너스는 그로닝겐 대학교에서 수학과 물리학을 공부한 후, 1871년부터 1873년까지 하이델베르크 대학교에서 키르히호프와 분젠의 지도를 받으며 공부하였다. 그는 1878년부터 1882년까지 델프트 고등기술학교에서 강의를 하였고, 1879년에 그로닝겐 대학교에서 박사학위를 취득하였다. 1882년 레이덴 대학교 실험물리학 교수로 임용되어 1923년까지 학생들을 가르쳤다.



그는 연구팀과 함께 1908년에 드디어 헬륨을 액화하는 데 성공했으며, 절대온도 0도에 가까온 -4.2K의 극저온을 얻어내기도 하였다. 이 작업은 상당히 어려운 작업 이어서 이후 15년 동안 지구상에서 액체 헬륨을 생산할 수 있었던 곳은 오네스의 연구실 뿐이었다. 그동안 액화되지 않은 유일한 원소 였던 헬륨의 액화를 가능하게 했던 그들의 실험은 1910년 노벨상 수상자이기도 한 반 데르 발스의 연구를 바탕으로 하고 있었다.


그가 성공할 수 있었던 배경..

1873년과 1880년 반 데르 발스 교수는 기체의 운동을 설명하는 유명한 법칙을 발표하여 열역학을 크게 발전시켰다. 하지만, 그것은 기체의 특정 성질이 분자와 분자 사이에 작용하는 힘으로 설명될 수 있다는 가정 아래 만들어진 것이기 때문에 비논리적인 기초에 근거를 두고 있었다. 실제로, 기체의 압력과 온도에 따른 양상은 반 데르 발스가 주장한 것과는 다르게 나타난다. 1880년대 초반 오네스는 자신의 실험실을 만들어, 온도와 분자구조의 변화에 따라 기체가 어떤 거동을 보이는지를 연구하기 시작하였다. 오네스 교수와 동료 연구자들은 단원자, 다원자 기체 그리고 기체 혼합물의 열역학적 성질을 연구하였고, 특히 저온에서 물질이 특이한 성질을 갖는 현상을 설명하기 위해 노력하였다. 그는 저온에서 기체와 액체의 성질을 연구하면서 최종적으로 헬륨의 등온선을 얻었다. 이 과정에서 그는 헬륨의 액화를 위한 첫 열쇠를 따내었던 것이다. 그는 실험에 필요한 장치를 직접 설계하고 개선하였고, 헬륨 액화 실험에서도 자신이 구상한 실험 장비들로 수많은 실패를 거쳐서 결국 엄청난 성공을 거두게 되었다. 그는 액체헬륨을 채운 차가운 수조를 만들어 절대온도 1.15도에서 4.3도 사이에 놓인 물질의 성질을 연구하였다.


영하 269도에서 초전도 현상을 발견하다

1911년, 오네스는 액체 헬륨을 이용해 만든 극저온에서 금속의 전기저항에 관한 실험을 하는 중 영하 269도에서 전기 저항이 완전히 사라지는 현상을 발견하였다. 초전도 현상은 자기부상열차를 비롯해 거의 모든 전기제품에 근본적인 변화를 가져온다.

그리고 오너스는 1913년 헬륨액화에 성공하고 초전도 현상을 발견하는 등 저온물리학을 개척한 공로로 노벨상을 수상하였다.


작성자: 18-051 박채진

분야: 고체물리


참고문헌

[1]노벨 재단, 『당신에게 노벨상을 수여합니다: 노벨 물리학상』, “저온 물리학과 액체헬륨의 제조”, 바다출판사, 2007

[2]데이비드 엘리아드, 『다빈치에서 허블 망원경까지 375가지의 과학적 발견』, 고려대학교, 2010

[3]이종필, 『물리학 클래식: 물리학 원천을 순례하다』, 사이언스북스


이미지

[1] https://itsacarrot.tistory.com/50

[2]지식백과 https://terms.naver.com/image

조회 166회
Picture4.jpg
워터마크_white.png

KOSMOS는 KSA Online Science Magazine of Students의 약자로,

KAIST부설 한국과학영재학교 학생들이 만들어나가는 온라인 과학매거진 입니다.

​본 단체와 웹사이트는 KAIST부설 한국과학영재학교의 지원으로 운영되고 있습니다.

저작물의 무단 전재 및 배포시 저작권법 136조에 의거 최고 5년 이하의 징역 또는 5천만원 이하의 벌금에 처하거나 이를 병과할 수 있습니다. 

© 2018 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 KOSMOS. ALL RIGHTS RESERVED. Created by 김동휘, 윤태준.

운영진 연락처