X선이 만드는 세상(4) : 뢴트겐

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X선이 발견되자마자 수많은 학자들이 X선 확인 작업에 매달렸으나 학자들의 기대와는 달리 X선의 정체는 쉽사리 밝혀지지 않았다. 1910년대에 들어서야 비로소 10-11미터(1억 분의 1밀리미터)정도의 파장을 가진 전자기파가 아닐까하고 생각될 뿐이었다.

파동 특유의 중요한 성질에 ‘간섭’이라는 현상이 있다. 빛은 근접한 2개의 슬릿(틈새)을 통과할 때 후방에 놓인 스크린에 밝고 어두운 간섭줄무늬를 만든다. 이것은 슬릿을 빠져나간 2개의 파동의 산과 산, 골짜기와 골짜기가 겹쳐지는 곳에는 파동이 서로를 보강하여 빛이 밝아지고, 반대로 산과 골짜기가 겹쳐지는 곳에서는 서로 상쇄되어 빛이 어두워지기 때문이다.

간섭이 생기기 위해서는 슬릿의 간격과 파동의 파장이 거의 같은 정도의 크기여야 한다. 이것은 X선이 예상대로 파장이 매우 짧은 전자기파라고 하면 파장과 같은 정도의 간격을 만들어 측정하면 이 현상을 포착할 수 있다는 뜻이다. 그러나 그 당시 10-11미터의 슬릿을 만드는 것은 거의 불가능한 일이었다.

이때 라우에(Max Theodor Felix von Laue)가 기발한 발상을 하게 된다. 1912년 라우에는 결정의 규칙적인 원자배열이 X선에 간섭을 일으키는 슬릿의 역할을 할 것이라고 생각했다. 결정(結晶)의 구조가 현재처럼 밝혀져 있었던 것은 아니지만, 당시에도 결정 속의 원자는 규칙적으로 배열되어 있으며 원자간의 거리는 10-10미터 정도라는 것은 알려져 있었다. 이 거리는 X선의 파장과 거의 일치하였다. 라우에가 황화아연의 결정에 X선을 쬐었을 때, 그의 예상대로 사진 필름 위에 X선의 간섭 현상을 알려주는 작은 반점군(斑點群)이 나타났다. 비로소 X선의 정체가 파장이 극히 짧은 전자기파라는 것이 밝혀진 것이다.

한편 이 반점군의 형태는 X선이 서로 다른 원자 층을 통과하면서 어떻게 회절했는가에 따라 달라진다. 이것은 역으로 X선의 회절 현상을 파악함으로써 원자 층의 위치와 결정체의 구조를 계산해 낼 수 있다는 것을 의미한다. 즉 X선 회절은 원자의 기본 구조를 밝혀 주었을 뿐만 아니라 X선 파장을 측정하는 수단도 제공한다. 이것을 ‘X선 결정구조 해석’이라고 하며 라우에는 이 연구로 1914년에 노벨 물리학상을 받았다.

회절과 굴절은 다르다. 기본적으로 회절은 ‘빛이 직선으로 이동한다’는 규칙과 반대로 직선 전달 너머 소규모 빛의 확산과 관련된다. 전파가 지구 곳곳을 이동하는 가장 큰 이유는 전리층 때문이지만 어느 정도는 회절 때문이기도 하다. 빛의 파동 성질도 회절 효과의 관찰로 입증된 것이다.

이제 X선에 대한 보다 심층적인 연구가 시도되었다.

라우에가 개척한 이 분야를 더욱 발전시킨 사람은 영국의 헨리 브래그(Sir William Henry Bragg)와 그의 아들 로렌스 브래그(Sir William Lawrence Bragg)였다. 브래그 부자는 결정 내 원자의 위치를 알아내는 방법을 실제의 측정에 이용하여 나트륨과 염소이온으로 된 결정격자의 구조는 염소이온이 6개의 나트륨이온과 동거리에 있는 것을 발견했다. 브래그 부자는 1915년에 공동으로 노벨 물리학상을 받았는데 아들 로렌스 브래그는 그 당시 25세의 젊은 나이였다.

브래그 부자가 노벨상을 수상하여 영광의 길로 들어섰지만 아버지 헨리 브래그의 어릴 적은 매우 가난했다. 그의 부모는 브래그를 가까스로 학교에 보냈지만 동료들은 가난한 그를 항상 놀렸다. 그런데 그가 아버지가 물려준 오래된 신발을 신자 크기도 맞지 않아 어디서 훔쳐온 것이 틀림없다고 학생들이 그를 놀렸다. 그런데 그 소문은 교장에게도 알려졌고 그는 브래그를 불렀다. 무엇 때문에 그를 불렀는지 말하지 않아도 알 수 있었다.

브래그는 주머니에 넣어 둔 조그마한 종이를 교장에게 주었다. 종이를 읽은 교장은 미안하다며 브래그의 등을 두드려 주었다. 종이쪽지는 브래그의 아버지가 아들에게 준 편지였다.

 

“아들아. 미안하구나. 1, 2년 후면 나의 낡은 구두가 더는 너의 발에 맞지 않으리라 믿는다. 아버지는 이런 희망을 갖고 있단다. 네가 언젠가 성공한다면 네가 나의 낡은 구두를 신고 노력하였기 때문이라는 것을 자랑스럽게 이야기할 때가 온다고 말이다.”

 

브래그는 아버지의 기대를 저버리지 않고 누구보다도 열심히 공부하여 캠브리지 대학에 추천생으로 입학할 수 있었다. 그는 대학에서 항상 수석을 차지했고 그에 대한 보상을 받았다. 1886년 호주의 아델레이드 대학에서 수학과 물리학 교수를 겸임할 때 그의 나이는 고작 24살이었다. 이곳에서 그는 방사성에 대한 연구에 착수했고 결국 노벨 물리학상을 수상했다.

아버지 브래그가 1923년 왕립학회 회장이 되자 왕립학회는 X선 회절 연구의 전세계 중심지가 되었다. 한 강연에서 헨리 브레그는 X선의 중요성을 다음과 같이 설명했다.

 

‘현미경은 특정 거리까지만 갈 수 있다. 원자가 여러 물체에 독특한 성질로 작용하는 법을 이해한다면 도달해야 할 지점에 훨씬 못 미친다. 이는 금속 속 개별적인 결정의 존재를 증명하지만 결정 속 원자의 배열은 증명하지 못한다. (중략) X선은 새로운 희망이 있다.’

 

결정구조해석과 병행하여 확립된 X선 연구의 또 다른 분야가 X선 분광학이다. 이것은 X선의 스펙트럼(파장 분포)을 측정하여 원자를 연구하는 학문이다. 전자선(電子線) 등을 물질에다 쬐면 원자의 안쪽 궤도를 도는 에너지가 낮은 전자가 튀겨 나오고 빈자리가 생긴다. 그렇게 되면 바깥쪽을 돌고 있던 에너지가 높은 전자가 비어 있는 자리를 겨냥하여 뛰어내리고 그때 전자 사이의 에너지 차가 X선으로 복사된다. 이것을 ‘특성(고유) X선’이라고 부르며 각 원소는 고유의 스펙트럼을 가지고 있다. 모즐리(Henry Moseley)가 특성 X선의 파장을 측정하면 원소의 원자번호가 결정된다는 것을 발견한 것도 바로 이것을 이용한 것이다.

한편 시그반(Karl Manne Georg Siegbahn)은 서로 다른 원소를 X선으로 투과시킨 결과, 분광선들이 비교적 단순하면서 서로 유사성을 갖고 있다는 것을 발견했다. 그는 이 유사성이 원자내부의 특성에 기인하는 것으로 원소들의 화학적 성질과는 관련이 없다고 확신했다. 한편 시그반은 1917년 노벨 물리학상 수상자인 바클라(Charles Glover Barkla)가 발견한 K와 L복사선의 존재를 입증했고 M복사선이라 불리는 다른 종류의 선도 발견했다. 또한 그는 L계열에서는 28개의 선을, M계열에서는 24개의 선을 발견했다. 이것은 그 후 원자폭탄이 탄생하는데 결정적인 영향력을 끼친 보어(Niels Henrik David Bohr)의 원자 모형을 확실하게 증명해 준 것이다. 그는 X선 분광학으로 1924년에 노벨 물리학상을 수상한다.

X선이 이렇게 중요한 연구에 사용되는 것은 파동의 진동수가 높고 파장이 짧아서, 결정 속의 원자의 열 사이에 존재하는 간격처럼 극히 좁은 간격을 통해서만 회절하기 때문이다. 실제로 결정(結晶)에 의한 X선의 회절은 많은 물질의 분자 구조를 확인하는데 사용되며, 만약 X선이 발견되지 않았다면 현대 화학과 생화학은 현대와 같이 발전하지 못했을 것이다.

이와 같이 X선 회절 방법이 각종 연구에서 두각을 보일 수 있었던 것은 당연한 이야기이지만 관련 실험장치가 개발되었기 때문이다. 우선 X선 빔을 발생시키고 이를 검출할 수 있는 방법이 필요하다. X선은 에너지가 큰 고속의 전자빔이 금속 타깃을 때리고 감속될 때 생긴다. 그러므로 X선관은 전자의 발생장치, 고전압을 줄 수 있는 장치, 금속 타깃을 반드시 갖추어야 한다. 또한 대부분의 전자의 운동에너지는 타깃에서 열로 바뀌므로 고온에서 녹는 것을 방지하기 위해 냉각해야 한다.

X선 발생에는 기체관과 필라멘트관이 있다. 기체관은 뢴트겐이 X선을 발견할 때 사용한 것으로 요즈음은 거의 사용하지 않는다. 필라멘트관은 1913년 쿨리지(Coolidge)가 처음으로 개발하였다. 필라멘트관은 진공으로 된 유리관의 한쪽 끝에는 텅스텐 필라멘트로 된 음극이 있고 다른 한쪽 끝에는 물로 냉각시킨 구리로 된 양극이 있으며 금속 타깃이 한쪽 끝에 삽입되도록 한 것이다. 필라멘트를 가열하여 전자를 방출시키면 X선은 타깃, 즉 초점에서 모든 방향으로 방출되며 이를 자동 변압기로 조절하는 것이다.

X선을 검출할 수 있는 방법으로는 사진 필름, 형광스크린, 계수기(counter)의 3가지 유형이 있다. 이 중에서 사진 필름은 영구적인 기록을 얻을 수 있고 검토하기 쉬우며 크기가 작아서 저장하기 쉽고 가격도 저렴하지만 다른 기록 장치보다 상대적으로 정확성이 떨어지고 X선 강도 측정에서 감도(sensitivity)가 낮으며 X선 강도를 필름에서 절대적인 눈금으로 측정할 수 없는 단점이 있다. 그러나 최근에는 매우 빠른 방법으로 현상하는 방법이 고안되어 많이 사용된다.

 

형광 스크린 법은 마분지 위에 소량의 니켈을 함유한 황화아연의 얇은 층으로 만들어 X선의 작용으로 가시광선 영역에서 노란색의 형광을 나타내도록 하는 것이다. 그러나 대개의 회절 빔이 너무 약해서 이런 방법으로 검출할 수 없는 단점이 있다. 그러므로 형광 스크린은 X선 회절 장치와 같은 기계를 조정할 때 1차 빔을 알아내는 데 사용한다. 마지막으로 계수기는 X선을 펄스전류로 바꾸는 장치로 비례 계수기, GM(Geiger-Muller)계수기, 섬광 계수기가 사용된다.

 

X선 사진법을 이용하기 위해 시료로서 단결정을 사용하는 것과 분말을 사용하는 것이 있다. 이 중 분말법은 구조적 정보를 얻는데 가장 많이 사용된다. 근본적으로 분말시료를 단색 X선으로 회절시키는 것으로 1916년 독일의 디바이(Peter Joseph Wilhelm Debye)와 셰러(Paul Scherrer), 1917년 미국의 헐(Peter Joseph Wilhelm Hull)이 각각 독립적으로 고안했다. 단색광이란 실험 물질을 일정 전압 이상으로 가동시켜 X선 튜브에서 필터를 사용하는 특정 X선을 뜻하며 분말이라 함은 실질적으로 분말을 결합제(binder)로 쓰거나 다결정(polycrystalline form)을 서로 결합시킨 물리적인 분말을 뜻한다.

여러 가지 카메라가 회절 장치에 사용된다. 이 중에서 디바이-셰러 카메라는 햇빛이 들어오지 않도록 만든 뚜껑을 가진 원통형 방을 가지고 있어서 입사 X선이 콜리메이터(collimator)를 지나가게 하고 통과하는 빔을 정지시키는 빔 스탑(beam stop)과 내부 카메라 원지에 장착된 필름을 잡아 주는 장치와 회전하는 시료 홀더(holder)로 만들어져 있다. 이것으로 관측한 실험치를 해석하여 모든 회절 반점을 동시에 기록할 수 있는데, 디바이는 1936년 노벨 화학상을 수상했다. 이외에 X선 회절 실험법으로는 라우에 법, 회전 결정법, Weissenberg법, 4축 단결정 회절법 등이 있다.

X선을 이용한 연구 장치의 개발은 곧바로 20여명이나 노벨상을 받게 만드는 노벨상의 산실로 등장한다. X선 결정학은 특히 세포와 유기체의 많은 생물학적 과정을 수행하는 단백질인 효소의 이해에 크게 기여했다. 오늘날 분자생물학이라는 새로운 학문을 탄생시키는 왓슨(James D, Watson)과 크릭(Francis H. C. Crick)이 디옥시리보핵산(DNA) 구조를 결정할 때 1952년 5월 프랭클린(Rosalind Franklin)이 얻은 B형 DNA 결정의 X선 회절사진이 있었기 때문이다. 그들은 1962년 노벨생리의학상을 수상했다.

페루츠(Max Perutz)는 X선 회절로 헤모글로빈 입체 구조를 밝히는데 도전했다. 헤모글로빈의 크기는 당시 구조가 결정되어 있던 최대 분자의 1,000배 이상이나 되므로 어느 누구도 선뜻 도전하기가 어려운 분야였다. 더구나 그가 헤모글로빈이라는 단백질의 구조 결정을 연구하기 시작한 1937년에는 수동 계산기만 사용되었기 때문에 X선 결정구조 해석은 가장 작은 분자일지라도 몇 달이 걸릴 때였다.

이 문제를 해결하기 위해 페루츠는 거대 분자의 구조 해석을 가능하게 하는 동형 치환법을 개발하였다. 그의 동료인 켄드루(John Kendrew)는 동형 치환법을 사용하여 미오글로빈이라는 다른 단백질의 입체 구조를 밝힐 수 있었다. 그러나 헤모글로빈의 구조 해석은 이 보다 더욱 복잡했으므로 결과를 얻는 것이 쉬운 일이 아니었다. 그렇지만 결국 페루츠는 헤모글로빈의 입체 구조를 밝혀냈고 그로 인해 산소 결합의 메커니즘을 보다 효과적으로 이해할 수 있게 되었다. 그의 악착같은 연구는 그 후 많은 학자들의 귀감이 되었고 1962년 켄드루와 함께 노벨 화학상으로 보상받았다.

 

도로시 호치킨(Dorothy Mary C. Hodgkin)도 X선을 이용하여 1964년 노벨 화학상을 받은 사람이다. 그녀는 펩신과 인슐린의 X선 회절에 도전하였고 곧이어 생리활성물질, 예컨대 콜레스테롤, 페니실린, 비타민 B12의 X선 해석에 착수하였다. 결정체 비타민 B12는 당시 알려져 있던 어느 것보다도 더 큰 분자량(1,355)을 갖고 있었다. 그러나 그녀에게는 행운이 따랐다. 그녀는 그 당시에 개발된 컴퓨터를 사용하여 복잡하기 짝이 없는 비타민 B12의 구조를 밝힐 수 있었던 것이다.

그녀의 연구는 X선 회절기술을 이용하면 복잡한 분자구조를 가진 물질들을 분석이 가능하다는 것을 보여주었고 이후 모든 연구자들이 그의 연구 방식을 따랐다. 그녀는 1964년에 노벨 화학상을 받은 이후에도 계속 연구를 하여 1969년에는 인슐린의 복잡한 입체구조를 해석했다.

 

X선의 이용한 연구는 더욱 확대된다. 하르트무트 미헬(Hartmut Michel)과 로버트 후버(Robert Huber)는 박테리오로돕신이라고 하는 광합성 세균의 광합성 색소를 연구하면서 광합성의 반응 중심 복합체의 결정화에 도전했다. 지구상의 생명체에 필요한 에너지는 태양으로부터 오는데 그 에너지는 식물, 해초, 광합성을 수행하는 박테리아 속으로 들어간다. 광합성에서 빛은 파장에 따라 흡수되고, 이때 나타나는 색소는 반응을 일으키는데 이용되는 에너지를 특수한 단백질 클로로필 착물로 전환시킨다. 그는 단백질을 단리하여 정제하고 이것을 결정화하는 프로젝트에 매달렸다.

 

그러나 이 문제를 수행하려면 두 가지 문제점이 있었는데 하나는 이 복합체가 분자량이 14만에 이르는 거대 분자라는 점이고, 다른 하나는 이 복합체의 단백질 분자가 계면 활성제로 덮여 있다는 사실이다. 광합성에 있어 광화학적 메커니즘은 단백질의 3차원적 성질의 모형 없이는 결정하기 어렵다. 그들은 이 까다롭고 번거로운 일을 X선 회절기술을 사용하여 반응 중심 부분의 단백질의 높낮이를 결정하는데 성공했다. 이것으로 광합성 전자 전이에 대한 이해를 쉽게 할 수 있었다.

그들이 성공한 박테리아 반응 중심의 결정학 연구 결과는 물리학, 화학, 생물학에 중요한 문제들의 응용이 가능하게 만들었다. 그들은 1988년 X선 해석을 담당한 다이젠호퍼(Johann Deisenhofer)와 함께 노벨 화학상을 수상했다.

하지만 X선 촬영에도 문제가 있다. 보통 X선은 가속이 붙은 전자의 흐름을 금속에 충돌시켜 만든다. 전자들이 충돌하면서 급격히 속도가 떨어질 때 X선이 생성된다. 그러나 이런 X선은 워낙 약해서 좋은 회절 사진을 얻으려면 피사체와 필름을 몇 시간 심지어는 며칠 동안 노출시켜 놓아야 한다.

그런데 이 노출 기간 동안 결정체 안의 원자들은 가만히 있지 않고 어떤 점을 중심으로 빠른 속도로 진동한다. 자연히 필름에는 중심점만 찍히고 그 동안 원자들이 진동하면서 무슨 일을 했는지는 알 수 없게 된다. 이러한 결점은 피사체 분자가 복잡할 경우, 특히 단백질처럼 아주 복잡하면서도 약한 원자 구조를 가지고 있을 때는 더욱 심각하다.

이런 문제점을 해결하는 방법이 소용돌이 전자를 이용한 초강력 X선으로 짧게 조사하는 것이다. 여기에서 100억 분의 1초의 조사 시간으로 생체 조직의 복잡한 분자를 찍을 수 있는 강력한 X선이 등장했다. 언듈레이터(undulator)라고 부르는 이 장치는 전자를 단순히 맴돌이 시키는 것이 아니라 회전하면서 동시에 앞뒤로 진동시킨다.

X선 발견 이후 한동안은 X선이 조직 투과시 별로 조직 장애를 일으키지 않는다는 것이 학자들의 견해였다. 심지어 X선에 쪼이면 건강증진작용이 있다고까지 생각하여 상품 선전장에는 X선 조사장치가 설치되어 동전이 들어가면 자기 손뼈의 영상을 볼 수 있게 하던 때도 있다.

톰프슨은 X선이 조직 장해를 일으키는지 여부를 검증하기 위해 X선을 손가락에 30분을 쪼인 후 결과를 관측하였다. 5～8일이 지나도 아무 일도 일어나지 않았지만 9일째부터 손가락이 붉어지기 시작해서 12일 후에는 대단히 아프게 되고 X선을 쪼이지 않았던 부분까지 물집이 생겼다. 피부는 계속해서 허물이 벗어지고 심한 통증이 나타났으며 6주 반이 지나서야 완쾌되었다고 했다.

이후 납을 입힌 장갑이 고안되었지만 발명이나 연구에 몰두하다보면 이런 경고를 도외시하기 마련이다. 그런 전형적인 예가 유명한 발명왕 에디슨으로 그는 X선 촬영기가 큰 돈을 벌 수 있다고 생각했다. 그러므로 X선 촬영기를 만국박람회에 전시하여 사람들에게 X선을 비추어주고 돈을 받았다. 불행한 것은 그가 손님 대신 조수 달리를 촬영하여 보여주었는데 이것이 달리에게는 치명상이었다. 조수 달리는 에디슨의 호기심에 의해 수시로 뇌를 촬영했는데 이 영향으로 머리가 빠지고 피부가 괴사하는 합병증으로 고통을 받다가 1904년 39세의 나이로 결국 사망했다. 그는 미국에서 X선에 의한 최초로 사망한 사람이다.

이후 지속적인 X선에 노출되었을 때 많은 사람들이 피부 화상과 시력이 약화되는 상처를 받았다. 이제 X선 노출되는 것은 꼭 필요한 진료용이 아니면 건강에 좋지 않다는 것은 당연한 상식에 속한다. 또한 진료를 위한 X선 촬영도 연간 1～3회 정도가 적당한 것으로 추천되고 있다.

 

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