길버트 뉴턴 루이스
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1. 개요
길버트 뉴턴 루이스는 미국의 물리화학자이다. 1899년 하버드 대학교에서 박사 학위를 취득한 후 매사추세츠 공과대학교(MIT)와 캘리포니아 대학교 버클리에서 교수로 재직하며 열역학, 화학 결합, 산-염기 반응 등 다양한 분야에서 업적을 남겼다. 활동도 개념을 도입하고 퓨가시티 용어를 만들었으며, 입방체 원자 모형과 루이스 구조식을 통해 화학 결합 이론을 발전시켰다. 또한 중수소를 정제하고 광자라는 용어를 처음 사용했으며, 여러 저서를 출판하고 윌리엄 H. 니콜스상, 윌라드 기브스상, 데이비 메달 등을 수상했다. 1946년 버클리에서 사망했다.
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2. 생애
미국 매사추세츠주 웨이머스에서 태어났다. 1899년 하버드 대학교에서 박사학위를 취득한 후, 독일의 라이프치히와 괴팅겐에서 유학하며 각각 빌헬름 오스트발트, 발터 네른스트 밑에서 연구했다.[56]
하버드 대학교 강사를 거쳐 1905년 매사추세츠 공과대학교(MIT)로 옮겨 열역학 연구를 시작하였다.[73] MIT에서 1907년 조교수, 1911년 정교수로 승진하였다.[74] 1912년에는 캘리포니아 대학교 버클리의 물리화학 교수이자 화학 대학 학장으로 부임하여[73][74] 이후 생을 마감할 때까지 그곳에 머물렀다.
그는 1908년 활동도 개념을 도입하여 열역학 발전에 기여하였으며,[74] 1916년경부터는 옥텟 규칙, 전자쌍 결합 이론, 루이스 산, 루이스 구조식 등을 제시하며 화학 결합 이론을 발전시켰다.[74] 또한 카복시산의 해리도에 대한 치환기의 영향을 설명하려 시도했고, 1933년에는 중수소를 분리하여 순수한 중수를 만드는 데 성공했다.[74] 말년에는 색소의 광화학적 연구에 몰두하여 인광이 삼중항 상태 때문에 발생한다는 사실을 밝혀냈다.[74]
1946년 캘리포니아주 버클리에서 사망하였다.[73]
2. 1. 어린 시절과 교육
미국 매사추세츠주 웨이머스에서 1875년에 태어나 자랐다. 현재 웨이머스에는 그의 이름을 딴 G. N. 루이스 웨이라는 거리가 서머 스트리트에서 떨어져 있으며, 새로운 웨이머스 고등학교 화학과 건물의 일부도 그의 이름을 따서 명명되었다. 아버지는 독립적인 성격의 변호사였던 프랭크 웨슬리 루이스였고, 어머니 메리 버 화이트 루이스로부터 가정에서 초등 교육을 받았다. 그는 세 살 때 글을 읽을 정도로 지적으로 조숙했다. 1884년 그의 가족은 네브래스카주 링컨으로 이사했고, 1889년 대학 예비학교에서 처음으로 정규 교육을 받기 시작했다.1893년, 네브래스카 대학교에서 2년간 공부한 후 하버드 대학교로 편입하여 1896년 학사 학위를 받았다. 이후 매사추세츠주 앤도버에 있는 필립스 아카데미에서 1년간 강의하였다. 강의를 마친 후 하버드 대학교로 돌아와 물리화학자 T. W. 리차즈(Theodore William Richards)의 지도를 받아 연구하였고, 1899년 전기화학 전위에 관한 논문으로 박사 학위를 취득하였다.[15][16]
하버드 대학교에서 1년간 강사로 일한 뒤, 여행 장학금을 받아 당시 물리화학의 중심지였던 독일로 유학을 떠났다. 독일 라이프치히에서는 빌헬름 오스트발트와 함께, 괴팅겐에서는 발터 네른스트와 함께 연구했다.[17][56] 네른스트의 연구실에서 일하는 동안, 루이스는 네른스트와 평생에 걸친 적대감을 품게 된 것으로 보인다. 이후 몇 년 동안 루이스는 여러 차례 자신의 전임 교수를 비판하고 비난하며, 네른스트의 열정리에 대한 연구를 "화학 역사상 유감스러운 사건"이라고 불렀다.[18] 네른스트의 스웨덴 친구인 빌헬름 팔머(Wilhelm Palmær)는 노벨 화학위원회 위원이었다. 그가 노벨 화학상 후보 추천 및 보고 절차를 이용하여 열역학 분야에서 루이스의 노벨상 수상을 세 번이나 막았다는 증거가 있다. 그는 루이스를 세 번이나 노벨상 후보로 추천한 다음, 위원회 위원으로서의 지위를 이용하여 부정적인 보고서를 작성했다.[19][57]
2. 2. 하버드, 마닐라, MIT
1899년 하버드 대학교에서 박사 학위를 취득한 후, 루이스는 1년간 하버드에서 강사로 일했다.[56] 이후 독일로 유학을 떠나 라이프치히에서 물리화학자 빌헬름 오스트발트에게, 괴팅겐에서 물리학자 발터 네른스트에게 배웠다.[56]네른스트의 연구실에 머무는 동안 두 사람 사이에 불화가 생겨 평생 불화를 겪었다. 네른스트의 친구이자 노벨 화학상 심사위원이었던 빌헬름 팔메르(Wilhelm Palmaer)가 루이스의 노벨상 수상을 세 차례나 막았다는 증거가 있다.[57] 이는 루이스가 열역학 분야에서 여러 차례 노벨상 후보로 추천되었음에도 불구하고 수상하지 못한 배경으로 여겨진다.
1901년 네른스트 연구실을 떠나 다시 하버드 대학교로 돌아와 3년 동안 열역학과 전기화학 강사로 활동했다. 1904년에는 휴가를 내고 필리핀 마닐라에 있는 과학국(Bureau of Science)의 계량 및 측정국(Superintendent of Weights and Measures) 국장직을 맡았다.
이듬해인 1905년 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 교수진에 합류하여 매사추세츠주 케임브리지로 돌아왔다.[73] 그는 MIT에서 아서 아모스 노이즈가 이끄는 뛰어난 물리화학자 그룹의 일원으로 활동하며 열역학 연구를 시작하였다.[73] MIT에서 1907년 조교수, 1908년 부교수로 승진했으며, 1911년 정교수가 되었다.[74]
2. 3. 캘리포니아 대학교 버클리
1912년 MIT를 떠나 캘리포니아 대학교 버클리의 화학대학 교수 겸 학장으로 부임했다.[12][20][73][74] 같은 해 6월 21일, 하버드 대학교 로망스어 교수의 딸인 메리 힌클리 셸던과 결혼하여 두 아들과 딸 한 명을 두었다. 그의 두 아들은 모두 화학 교수가 되었다. 1913년에는 버클리의 화학 전문 학회인 알파 카이 시그마에 가입했다.[21]루이스의 지도 아래 버클리 화학대학은 세계적인 화학 연구소 중 하나로 성장했다.[20][25] 그가 지도한 대학원생 중 14명이 노벨상을 수상하는 뛰어난 성과를 거두었다.[22] 대표적인 수상자로는 해롤드 유리(1934년 노벨상), 윌리엄 프랭크 지오크(1949년 노벨상), 글렌 시보그(1951년 노벨상), 윌러드 리비(1960년 노벨상), 멜빈 캘빈(1961년 노벨상) 등이 있다.[20][23][24]
그러나 루이스는 버클리 재직 시절, 마가렛 멜하세를 포함한 여성들의 대학원 입학 및 연구 활동을 막는 등 성차별적인 태도를 보이기도 했다.[26][27] 멜하세는 학부 시절 시보그와 함께 세슘-137을 공동 발견한 연구자였다.
1913년 루이스는 국립 과학 아카데미 회원으로 선출되었고,[28] 1918년에는 미국철학회 회원으로도 선출되었다.[29] 하지만 1934년 국립 과학 아카데미에서 사임했는데, 그 이유는 명확히 밝히지 않았다. 학회 내부의 정치적 갈등이나 자신이 추천한 인물들이 선출되지 못한 것에 대한 불만, 혹은 그의 제자인 해롤드 유리가 1931년 중수소 분리 및 스펙트럼 확인 공로로 1934년 노벨 화학상을 단독 수상한 것에 대한 불만이 원인일 수 있다는 추측이 있다. 루이스는 자신이 중수 정제 및 특성 규명에 기여한 공로를 인정받아 공동 수상을 했어야 한다고 생각했을 가능성이 제기된다.[30]
1948년 캘리포니아 대학교 버클리에는 그의 업적을 기리기 위해 그의 이름을 딴 루이스 홀(Lewis Hall)이 건립되었다.
2. 4. 죽음
1946년 3월 23일, 루이스는 캘리포니아 대학교 버클리의 실험실 작업대 아래에서 시신으로 발견되었다.[31][73] 당시 그는 액체 청산화수소를 이용한 실험을 하고 있었는데, 파손된 배관에서 유독 가스가 실험실로 누출된 것으로 추정된다.[31][72] 검시관은 청색증의 징후가 없다는 이유로 사인을 관상동맥질환으로 판정했으나,[32][72] 일각에서는 자살 가능성을 제기하기도 한다.[11][72] 버클리 명예교수 윌리엄 졸리(William Jolly)는 1987년에 출판한 버클리 화학과 역사서 ''From Retorts to Lasers''에서, 학과 고위직 인사 중 루이스가 자살했다고 믿는 사람이 있었다고 기록했다.[11][72]루이스의 죽음이 자살이었다면, 어빙 랭뮤어와의 관계가 원인이었을 수 있다는 추측이 있다. 랭뮤어는 루이스의 화학 결합 이론을 확장한 연구로 1932년 노벨 화학상을 수상했지만,[9][72] 루이스는 41번이나 노벨상 후보에 올랐음에도 불구하고 끝내 수상하지 못했다.[9] 두 사람은 오랜 라이벌 관계였다.[72] 루이스가 사망한 당일, 랭뮤어는 버클리에서 명예 학위를 받기 위해 방문 중이었으며 루이스와 점심 식사를 함께했다.[32][72] 이 사실은 루이스의 마지막 제자였던 마이클 카샤가 몇 년 후 회상하며 알려졌다.[32][72] 동료들은 루이스가 점심 식사 후 어두운 표정으로 돌아와 우울하게 브리지 게임을 한 뒤 실험실로 갔으며, 약 한 시간 후 사망한 채 발견되었다고 전했다.[32] 미국 의회도서관에 보관된 랭뮤어의 서류는 그가 그날 명예 학위를 받기 위해 버클리 캠퍼스에 있었다는 사실을 확인해준다.[72]
3. 과학적 업적
길버트 N. 루이스는 20세기 화학 및 물리학의 여러 분야에 걸쳐 중요한 기여를 남겼다. 그의 연구는 화학 결합 이론, 열역학, 산과 염기 이론, 상대성이론, 양자역학 등 광범위한 영역을 포괄한다.
1902년경부터 루이스는 원자의 구조를 설명하기 위해 입방체 원자 모형을 구상하기 시작했다. 이 모형은 정육면체의 각 꼭짓점에 전자가 위치한다고 가정하여 원자가 전자의 배열과 화학 결합의 형성을 설명하려 했다. 이 아이디어는 1916년 발표된 그의 중요한 논문 "원자와 분자 (The Atom and the Molecule)"[64]에서 구체화되었다. 이 논문에서 그는 두 원자가 한 쌍의 전자를 공유하여 형성되는 공유 결합의 개념을 명확히 제시했으며, 이는 현대 화학 결합 이론의 기초가 되었다. 또한, 홀수 개의 전자를 가진 분자를 '홀수 분자(odd molecule)'(라디칼)로 정의하고, 원자가 전자를 점으로 표시하는 전자식 표기법을 제안했다. 이러한 그의 생각은 어빙 랭뮤어에 의해 발전되었고 라이너스 폴링의 연구에 큰 영향을 미쳤다.
열역학 분야에서 루이스는 실제 기체와 용액의 거동을 설명하기 위해 활동도 개념과 '퓨가시티(fugacity)'라는 용어를 도입했다.[62] 또한 기브스의 자유 에너지 개념을 화학 반응의 평형 연구에 적용하는 데 힘썼으며, 1923년 머리 랜달과 함께 다양한 물질의 자유 에너지 값을 정리하여 발표함으로써[66] 현대 화학 열역학 발전에 크게 기여했다.
1923년에는 전자쌍의 이동에 기반한 새로운 산과 염기 정의를 제안했다. 전자쌍을 받는 물질을 '루이스 산', 전자쌍을 주는 물질을 '루이스 염기'로 정의하여 산-염기 개념을 확장했다.[65]
물리학 분야에서도 루이스는 중요한 업적을 남겼다. 1908년에는 알베르트 아인슈타인과는 다른 방식으로 질량과 에너지의 등가 관계를 유도했으며,[58] 1909년에는 리처드 토먼과 함께 루이스-톨만의 비뉴턴 역학을 발표했다.[59] 1912년에는 에드윈 비드웰 윌슨과 함께 시공간의 기하학적 성질과 로렌츠 변환의 관계를 탐구하는 논문을 발표했다.[60][61] 1926년에는 빛의 기본 단위를 설명하기 위해 '광자(photon)'라는 용어를 처음으로 제안했다.[67] 비록 그의 초기 의도와는 다르게 사용되었지만, 이 용어는 현대 물리학의 핵심 어휘로 자리 잡았다.
이 외에도 루이스는 1919년 액체 질소 속 산소의 자성 연구를 통해 O4 분자(사산소)의 존재를 처음으로 확인했으며, 1921년에는 강전해질 용액의 비이상성을 설명하기 위해 이온 세기 개념을 도입했다. 1933년에는 순수한 중수(D2O)를 처음으로 분리하는 데 성공했고,[68] 중수 환경에서의 생명 현상을 연구했다.[69][70] 또한 어니스트 로렌스의 사이클로트론을 이용해 중수소 원자핵(중양자)을 가속시켜 다양한 원자핵의 특성을 연구했다.
루이스는 1913년 미국국립과학원 회원으로 선출되었으나 1934년 사임했다. 명확한 이유는 밝혀지지 않았지만, 학회 내 정치적 갈등이나 자신의 연구(특히 중수소 발견의 기초가 된 중수 연구)에 대한 정당한 평가를 받지 못했다는 불만 때문이었을 것으로 추정된다. 특히 그의 제자였던 해럴드 유리가 중수소 발견 공로로 1934년 노벨 화학상을 단독 수상한 것이 결정적인 계기가 되었을 수 있다.[63]
그는 또한 1930년대에 훗날 노벨 화학상을 수상하게 되는 글렌 시보그를 지도하는 등 후학 양성에도 기여했다.
3. 1. 열역학
루이스의 학문적 관심사 대부분은 하버드 재학 시절 형성되었는데, 그중 가장 중요한 것은 열역학이었다. 당시 하버드에서는 리처즈(Richards)가 열역학 연구를 활발히 진행하고 있었다. 1895년경에는 중요한 열역학 관계식들이 대부분 알려져 있었으나, 이는 개별적인 방정식으로 취급되었고 하나의 논리적 체계로 통합되지 못했다. 또한, 이 관계식들은 이상적인 화학계에만 적용된다는 한계가 있었다. 이는 당시 이론 열역학이 풀어야 할 중요한 두 가지 문제였다.[34][35][36]루이스는 1900년과 1901년에 발표한 두 편의 논문을 통해 이러한 문제에 대한 해결책을 제시하고자 했다. 그는 활동도(activity)라는 열역학적 개념을 도입하고, 물질이 한 상(phase)에서 다른 상으로 이동하려는 경향을 나타내는 "퓨가시티"(fugacity)라는 새로운 용어를 만들었다.[34][35][36] 퓨가시티는 "탈출 경향"(escaping tendency)[37]을 의미하며 압력과 같은 차원을 가지는 함수이다. 루이스는 퓨가시티가 실제 계의 열역학적 관계를 유도할 수 있는 기본 원리가 될 것이라고 믿었지만, 이 기대는 실현되지 않았다. 다만 퓨가시티 개념은 실제 기체를 설명하는 데 계속 사용되고 있다.
루이스의 초기 논문들은 J. W. Gibbs와 P. Duhem이 제시한 자유 에너지와 열역학적 퍼텐셜 개념에 대한 깊은 이해를 보여준다. 이 개념들은 물리학자와 수학자들에게는 익숙했지만, 당시 대부분의 실험 화학자들에게는 너무 난해하여 실제 화학계에 적용하기 어렵다고 여겨졌다. 많은 화학자들은 Berthelot, Ostwald, Van ’t Hoff 등이 발전시킨, 반응열(엔탈피)을 중심으로 하는 기존의 열역학과 열량측정 방법에 의존하고 있었다.
그러나 루이스는 반응열만으로는 화학 변화가 일어나려는 경향을 정확히 측정할 수 없으며, 오직 자유 에너지와 엔트로피만이 정확한 화학 열역학을 설명할 수 있다는 것을 간파했다. 그는 퓨가시티 개념을 이용해 자유 에너지를 유도하려 했고, 1901년에는 당시 명확히 정의되지 않았던 엔트로피 함수를 정확하게 표현하려 시도했으나 성공하지 못했다. 리처즈 역시 비슷한 시도를 했지만 실패했으며, 엔트로피를 명확하게 계산하는 것은 1907년 네른스트(Nernst)에 이르러서야 가능해졌다. 비록 루이스가 제안한 퓨가시티 기반의 시스템은 널리 받아들여지지 않았지만, 자유 에너지와 엔트로피에 대한 그의 초기 연구는 매우 중요했으며, 이후 그의 연구 경력 대부분은 이러한 중요한 개념들을 실험 화학자들이 쉽게 이해하고 활용할 수 있도록 하는 데 집중되었다.
3. 2. 원자가 이론
1902년경 루이스는 강의 노트를 작성하며 입방 원자 모형에 대한 아이디어를 구체화하기 시작했다. 이 모형은 원자를 정육면체 형태로 보고, 각 꼭짓점에 전자가 위치할 수 있다고 가정했다. 루이스는 이 모델을 통해 주기율표에서 나타나는 8개 원소의 주기성을 설명하고, 원자들이 전자를 주고받거나 공유하여 각 원자 주위에 8개의 전자를 채워 안정적인 상태를 이루려는 경향, 즉 화학 결합 형성을 설명하고자 했다. 이러한 생각은 각 원자가 8개의 전자를 가져 안정화되려는 경향(훗날 옥텟 규칙으로 발전)과 일치했다.
이러한 전기화학적 원자가 이론은 1904년 리처드 아베그의 연구에서도 다루어졌으나,[38] 루이스의 입방 원자 모형은 구체적인 원자 모델에 기반한 독창적인 접근이었다. 하지만 당시 하버드의 지도 교수들은 이러한 이론적 추측에 큰 관심을 보이지 않았고, 루이스는 이 아이디어를 즉시 발표하지는 않았다. 그럼에도 불구하고 이 입방 원자 개념은 훗날 그의 중요한 이론 발표의 기초가 되었다.
1916년, 루이스는 화학 결합 이론의 발전에 큰 영향을 미친 논문인 "원자와 분자 (''The Atom and the Molecule'')"[39][64]를 발표했다. 이 논문에서 그는 두 원자가 전자를 공유하여 형성되는 공유 결합의 개념을 명확히 제시했다. 특히, 한 쌍의 전자가 두 원자핵 사이에 공유되는 공유 전자쌍 개념을 도입했다. 또한, 공유되지 않은 홀수 개의 전자를 가진 분자를 '홀수 분자(odd molecule)'라고 정의했는데, 이는 현대 화학에서 말하는 자유 라디칼에 해당한다. 이 논문에는 원자가 전자를 점으로 표시하는 루이스 점 구조와 앞서 구상했던 입방 원자 모형도 포함되었다.
루이스가 제시한 화학 결합에 대한 이러한 혁신적인 아이디어들은 이후 어빙 랭뮤어에 의해 더욱 발전되었으며, 라이너스 폴링이 화학 결합의 본질을 깊이 연구하는 데 중요한 영감을 주었다.
3. 3. 산과 염기
1923년, 루이스는 산-염기 반응에 대한 전자쌍 이론을 제시했다. 이 산과 염기 이론에서 "루이스 산"은 '전자쌍 수용체'(electron-pair acceptoreng)이고 "루이스 염기"는 '전자쌍 주개'(electron-pair donoreng)이다.[40] 같은 해에 그는 화학 결합에 대한 그의 이론을 담은 단행본을 출판했다.[41]3. 4. 중수 연구
루이스는 1933년 순수한 중수(산화 중수소) 샘플을 최초로 생산(정제)했다.[1][68] 그는 중수 속에서 생명체가 생존하고 성장할 수 있는지 처음으로 연구했다.[2][3][69][70] 또한 어니스트 로렌스의 사이클로트론을 이용하여 중양자(중수소 원자핵)를 가속함으로써 많은 원자핵의 특성을 연구할 수 있었다.[4]3. 5. O4 사산소
1924년 루이스는 액체 질소에 용해된 산소의 자기적 특성을 연구하던 중 O4 분자가 형성된다는 사실을 발견했다.[47] 이는 사원자 산소가 존재한다는 최초의 증거였다.3. 6. 상대성 이론 및 양자 물리학
1908년 루이스는 상대성 이론에 대한 여러 논문 중 첫 번째 논문을 발표했는데, 여기서 그는 알베르트 아인슈타인과는 다른 방식으로 질량-에너지 관계를 유도했다.[48][58] 1909년에는 리처드 C. 톨먼과 함께 자신의 방법을 특수 상대성 이론과 결합시켰다(루이스-톨만 비뉴턴 역학).[49][59] 1912년에는 에드윈 비드웰 윌슨과 함께 수리 물리학 분야에서 중요한 연구 결과를 발표했다. 이 연구는 합성 기하학을 시공간 연구에 적용했을 뿐만 아니라, 시공간의 squeeze mapping|스퀴즈 매핑eng과 로렌츠 변환의 동일성을 지적한 것이었다.[50][51][60][61]1926년, 그는 복사 에너지(빛)의 최소 단위를 나타내는 "광자(photon)"라는 용어를 만들었다. 이 용어는 학술지 네이처(Nature)에 보낸 편지를 통해 제안되었지만,[52][67] 그 결과는 루이스의 본래 의도와는 다르게 전개되었다. 편지에서 그는 광자가 에너지가 아니라 구조적 요소라고 제안하며, '광자의 수'라는 새로운 변수가 필요하다고 주장했다. 그의 이론은 1905년 알베르트 아인슈타인이 도입한 빛의 양자 이론과는 달랐지만, '광자'라는 이름은 아인슈타인이 '빛 양자'(Lichtquant|리히트크반트deu)라고 불렀던 개념을 가리키는 용어로 채택되었다.
4. 기타 업적 및 평가
1921년, 루이스는 강전해질이 질량 작용의 법칙을 따르지 않는 현상(물리화학자들을 20년 동안 곤혹스럽게 했던 문제)을 설명하는 경험식을 처음으로 제안했다.[53] 그가 이온 세기라고 명명한 경험식은 1923년에 발표된 강전해질의 데바이-휘켈 식과 일치하는 것이 나중에 확인되었다.
1902년경부터 루이스는 강의 노트에 입방체 원자 모형을 그리기 시작했는데, 이는 입방체의 각 꼭짓점이 전자의 위치를 나타내는 원자 모형이었다. 그는 이 개념을 1916년 발표한 화학 결합에 관한 고전적인 논문 "The Atom and the Molecule"[64]에서 처음으로 공식화했다. 이 논문에서 그는 원자 간 전자 쌍 공유 개념(공유 결합)을 제시하고, 불쌍전자를 가진 라디칼을 "odd molecule"로 정의했으며, 전자식 표기법도 포함했다. 이러한 화학 결합에 대한 그의 아이디어는 어빙 랭뮤어에 의해 더욱 발전되었고 라이너스 폴링의 연구에 영감을 주었다.
1923년에는 전자쌍을 기준으로 산과 염기를 새롭게 정의했다. 전자쌍을 받는 물질을 "루이스 산", 전자쌍을 주는 물질을 "루이스 염기"로 정의하는 이 개념은 현대 화학에서 널리 사용된다. 같은 해 화학 결합에 관한 학술 논문도 발표했다.[65]
열역학 분야에서는 활동도의 개념을 만들어냈고, "퓨가시티(fugacity)"라는 용어를 만들었다.[62] 조사이어 윌러드 기브스가 밝힌 대로 화학 반응의 평형 도달 여부는 관련 물질의 자유 에너지에 의해 결정되는데, 루이스는 25년에 걸쳐 다양한 물질의 자유 에너지를 측정했다. 1923년, 머리 랜달과 함께 그 결과를 발표하여[66] 현대 화학 열역학 확립에 크게 기여했다.
물리학 분야에서도 중요한 업적을 남겼다. 1908년에는 상대성이론에 관한 여러 논문을 발표하며 질량과 에너지의 관계를 알베르트 아인슈타인과는 다른 방식으로 유도했다.[58] 1909년에는 리처드 토먼과 함께 이 방법을 특수 상대성이론과 결합시켰다(루이스-톨만의 비뉴턴 역학).[59] 1912년에는 에드윈 비드웰 윌슨과 함께 기하학을 시공간에 적용하고, 시공간의 squeeze mapping과 로렌츠 변환의 동일성에 주목한 중요한 수리물리학 논문을 발표했다.[60][61]
1926년에는 방사 에너지(빛)의 최소 단위를 나타내는 "광자(photon)"라는 용어를 네이처지에 보낸 편지에서 제안했다.[67] 그는 광자를 에너지 단위가 아닌 구조 요소로 제안하며 "광자 수"라는 새로운 변수의 필요성을 강조했지만, 이후 이 용어는 알베르트 아인슈타인이 제창한 "광양자"(독일어: Lichtquant)와 같은 의미로 사용되게 되었다.
1919년에는 액체질소에 산소를 녹인 용액의 자성을 연구하여 O4 분자(사산소)의 형성을 발견했는데, 이는 사산소 존재에 대한 최초의 증거였다. 1933년에는 역사상 최초로 순수한 중수(산화 중수소) 정제에 성공했으며,[68] 중수 속에서 생명체가 생존하고 성장할 수 있는지 처음으로 연구했다.[69][70] 또한 어니스트 로렌스의 사이클로트론을 이용해 중수소의 원자핵(중양자)을 가속하는 실험을 통해 원자핵의 여러 특성을 연구했다.
그의 경력 후반기에는 마지막 연구 조교였던 대학원생 마이클 카샤와 함께 유기 분자의 인광 현상을 연구했다. 그들은 인광이 들뜬 삼중항 상태(두 전자의 스핀 벡터가 같은 방향이지만 다른 궤도에 있는 상태)의 전자에서 빛이 방출되는 현상임을 밝혀냈고, 이 삼중항 상태의 상자성을 측정했다.[54][71]
루이스는 빛 양자의 본질부터 가격 안정화의 경제학에 이르기까지 폭넓은 주제에 대한 논문을 발표하며 광범위한 학문적 관심을 보여주었다. 그는 1913년 미국국립과학원 회원으로 선출되었으나 1934년에 사임했다. 명확한 이유는 밝혀지지 않았지만, 학회 내 정쟁이나 자신의 연구(특히 중수 정제 및 성질 연구)가 제자인 해럴드 유리의 중수소 발견 노벨 화학상 단독 수상(1934년)으로 이어졌음에도 인정받지 못한 것에 대한 불만 등이 원인으로 추정된다.[63] 그는 또한 1930년대에 훗날 노벨 화학상을 수상한 글렌 시보그를 지도하기도 했다.
루이스는 20세기 초 화학 분야의 혁신적인 발전에 지대한 공헌을 한 과학자로 평가받는다. 그의 업적, 특히 루이스 구조와 루이스 산-염기 이론은 현대 화학의 기본 개념으로 자리 잡았으며 화학 교과서에 널리 소개되고 있다.
1946년, 루이스는 버클리 연구실에서 액체 시안화수소를 이용한 실험 중 사망한 채 발견되었다. 검시관은 사인을 관상동맥 이상으로 밝혔지만, 그의 오랜 라이벌이었던 어빙 랭뮤어(1932년 노벨 화학상 수상자)와의 점심 식사 직후의 정황 등으로 인해 자살이라는 추측도 제기되었다.[72]
5. 주요 저서
wikitext
| 연도 | 제목 | 비고 |
|---|---|---|
| 1923년 | Thermodynamics and the free energy of Chemical Substances | 멀 랜달과 공저 |
| 1923년 | Valence and Structure of Atoms and Molecules | |
| 1926년 | Anatomy of Science |
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