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프랜시스 윌리엄 애스턴

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목차

1. 개요

프랜시스 윌리엄 애스턴은 영국의 물리학자이자 화학자로, 1922년 동위원소 연구로 노벨 화학상을 수상했다. 버밍엄 대학교와 케임브리지 대학교에서 공부했으며, 조지프 존 톰슨의 조수로 캐번디시 연구소에서 양극선 분석 연구를 진행했다. 질량 분석기를 개발하여 네온의 동위원소를 발견하고, 정수 법칙을 제시하는 등 핵물리학 발전에 기여했다. 또한, 왕립 학회 펠로우로 선출되었으며 휴즈 메달, 로열 메달 등을 수상했다.

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프랜시스 윌리엄 애스턴 - [인물]에 관한 문서
기본 정보
1922년 애스턴
전체 이름프랜시스 윌리엄 애스턴
로마자 표기Peuraensiseu উইল리에om Aeseuteon
출생1877년 9월 1일
출생지할본, 버밍엄, 잉글랜드
사망1945년 11월 20일
사망지케임브리지, 잉글랜드
국적영국
학력
모교(런던 대학교에서 발행)
케임브리지 대학교 트리니티 칼리지
박사 지도교수퍼시 F. 프랭클랜드
학문 지도교수J. J. Thomson
John Henry Poynting
William A. Tilden
경력
근무 기관트리니티 칼리지
분야화학, 물리학
업적
주요 업적질량 분광기
전체 숫자 규칙
애스턴 암흑 공간
수상
수상 내역매켄지 데이비슨 메달 (1920)
노벨 화학상 (1922)
휴즈 메달 (1922)
존 스콧 메달 (1923)
파테르노 메달 (1923)
로열 메달 (1938)
더델 메달 및 상 (1944)

2. 생애

프랜시스 윌리엄 애스턴은 버밍엄 하본(:en:Harborne)에서 태어났다. 버밍엄 대학교와 케임브리지 대학교에서 공부했으며, 진공 방전에 관심을 갖게 되어 글로우 방전의 음극 근처의 어두운 부분(현재는 "애스턴 암부"라고 불림)을 발견했다. 1909년 조지프 존 톰슨의 초청으로 캐번디시 연구소로 옮겨 양극선 분석 연구를 진행했다.

음극선관 실험을 통해 카날선이 원소의 양이온임을 확인하고, 자기장과 사진 건판을 이용하여 원자량 측정 정밀도를 향상시켰다. 네온의 질량 측정 실험으로 네온이 두 개의 동위원소를 가진 혼합물임을 보였다. 제1차 세계 대전 중에는 비행장에서 페인트 화학 연구에 종사했다.

산소 질량의 1/16을 기준으로 했을 때, 각 원소의 질량은 정수에 가까웠으며, 수소는 0.8% 정도 큰 값을 보였다. 이는 질량 결손 이론과 연결되었다. 1921년 왕립 학회 펠로우로 선출되었고, 1922년 휴즈 메달, 1938년 로열 메달을 수상했다.[18]

2. 1. 초기 생애 및 교육

프랜시스 애스턴은 1877년 9월 1일, 현재 버밍엄의 일부인 하본에서 태어났다.[4][5] 그는 윌리엄 애스턴과 패니 샬롯 홀리스의 셋째이자 둘째 아들이었다. 하본 교구 학교에서 교육을 받았고, 이후 말번 칼리지에서 기숙사 생활을 했다. 1893년 메이슨 칼리지(당시 런던 대학교의 외부 칼리지)에서 대학 공부를 시작했으며, 존 헨리 포인팅에게 물리학을, 프랭클랜드와 틸든에게 화학을 배웠다. 1896년부터는 아버지 집의 개인 실험실에서 유기 화학에 대한 추가 연구를 수행했다. 1898년에는 포스터 장학금으로 프랭클랜드의 학생으로 주석산 화합물의 광학적 특성에 관한 연구를 수행했다. 그는 버밍엄의 양조 학교에서 발효 화학 연구를 시작했으며, 1900년에는 W. 버틀러 & Co. 양조장에 고용되었다. 이 고용 기간은 1903년, 포인팅의 지도 아래 버밍엄 대학교로 다시 돌아오면서 끝났다.

2. 2. 연구 경력

버밍엄 대학교에서 장학금을 받아 1890년대 중반 X선과 방사능 발견 이후 물리학 연구를 수행했다. 애스턴은 가스 방전관을 통한 전류를 연구했고, 스스로 만든 방전관을 이용한 연구를 통해 애스턴 암흑 공간의 부피를 조사했다.[6][7][8]

1908년 부친 사망 후 세계 일주 여행을 하고, 1909년 버밍엄 대학교 강사로 임명되었지만, 1910년 조지프 존 톰슨의 초청으로 케번디시 연구소(케임브리지)로 옮겨갔다. 버밍엄 대학교는 1910년에 응용/순수 과학 학사(BSc)를, 1914년에 응용/순수 과학 이학 박사(DSc)를 수여했다.[9]

1921년, 애스턴은 국제 원자량 위원회의 회원이 되었고[13], 왕립 학회 회원이 되었으며[18], 다음 해에 노벨 화학상을 받았다.[14] 그의 가장 잘 알려진 책으로는 ''동위원소''[15]와 ''질량 스펙트라와 동위원소''[16]가 있다.

2. 2. 1. 질량 분석기 개발과 동위원소 발견

조지프 존 톰슨은 음극선의 본질을 밝혀내 전자를 발견한 후, 1886년 오이겐 골드슈타인이 발견한 양전하를 띤 "채널선" 연구를 진행하고 있었다. 1908년 빌헬름 빈은 자기장으로 "채널선" 내 입자를 편향시키는 방법을 발견했는데, 자기장과 전기장을 결합하여 전하와 질량의 비율에 따라 서로 다른 이온을 분리할 수 있었다. 특정 전하/질량 비율의 이온은 사진 건판에 특징적인 포물선 궤적을 남겼으며, 이는 단일 원소의 원자가 서로 다른 질량을 가질 수 있다는 것을 처음으로 보여주었다. 최초의 섹터장 질량 분석기는 이러한 실험의 결과였다.[10]

애스턴의 세 번째 질량 분석기 복제품


동위원소에 대한 추측은 화학 원소의 동위원소를 분리할 수 있는 질량 분석기 제작으로 이어졌다. 애스턴은 처음에 네온 원소와 나중에 염소 및 수은에서 동위원소를 식별하는 연구를 했다. 1912년, 애스턴은 네온이 대략 원자 질량 20과 22에 해당하는 두 개의 궤적으로 분리된다는 것을 발견했고, 질량 22의 동위원소를 "메타-네온"이라고 명명했다.[11]

제1차 세계 대전으로 인해 질량 분광법을 통한 동위원소 존재에 대한 실험적 증거를 제공하려는 그의 연구가 지연되었고, 전쟁 중 애스턴은 영국 왕립 항공 연구소에서 항공 코팅에 대한 기술 지원 담당자로 근무했다.

전쟁 후, 그는 케임브리지의 케번디시 연구소로 돌아와 1919년에 보고한 첫 번째 질량 분석기 제작을 완료했다.[12] 그 후 기기의 개선으로 질량 분해능과 질량 정확도가 향상된 두 번째 및 세 번째 기기가 개발되었다. 이러한 전자기적 초점을 사용하는 기기를 통해 그는 212개의 자연 발생 동위원소를 식별할 수 있었다.

동위원소에 대한 그의 연구는 또한 "산소 동위원소의 질량을 [16으로] 정의하면 다른 모든 동위원소는 거의 정수인 질량을 가진다"는 정수 법칙을 공식화하는 데 기여했으며, 이 법칙은 핵 에너지 개발에 광범위하게 사용되었다. 많은 동위원소의 정확한 질량이 측정되어 수소의 질량이 다른 원소의 평균 질량보다 1% 더 높다는 결과를 얻었다. 애스턴은 1936년에 아원자 에너지와 그 사용에 대해 추측했다.

캐번디시 연구소에서 양극선 분석 연구를 진행하면서, 음극 쪽 전극에 양이온이 통과할 수 있는 구멍을 설치한 음극선관에서, 음극 근처가 빛나는 현상(카날선)의 실험으로, 카날선이 원소의 양이온임을 확인했다. 카날선에 자기장을 가하면 로렌츠 힘에 의해 편향되는 정도가 이온, 즉 원자의 질량에 따라 달라지므로, 사진 건판을 조합함으로써, 원자량 측정 정밀도를 이전의 방법에 비해 비약적으로 향상시킬 수 있었다. 또한 네온의 질량 측정 실험은 네온이 2개의 질량(원자량)을 가진 동위원소의 혼합물임을 보여주었다. 동위원소의 존재 증명은 각 원소의 원자량 비율이 수소 원자의 정수배가 된다는 프라우트의 가설이 염소 등에서 성립하지 않았던 이유를 설명하게 되었다.

산소 질량의 1/16을 기준으로 했을 때, 각 원소의 질량은 매우 정수에 가까운 값을 나타냈다. 1개의 양성자로만 이루어진 수소만 0.8% 정도의 큰 값을 나타냈으며, 질량이 원자핵의 결합 에너지로 변환된다는 질량 결손의 이론과 연결되게 되었다.

2. 2. 2. 정수 법칙과 핵 에너지

애스턴은 동위원소 연구를 통해 "산소 동위원소의 질량을 [16으로] 정의하면 다른 모든 동위원소는 거의 정수인 질량을 가진다"는 정수 법칙을 공식화했다. 이 법칙은 핵 에너지 개발에 광범위하게 사용되었다.[14] 그는 많은 동위원소의 정확한 질량을 측정하여 수소의 질량이 다른 원소의 평균 질량보다 1% 더 높다는 것을 알아냈다. 1936년, 애스턴은 아원자 에너지와 그 사용에 대해 추측했다.

산소 질량의 1/16을 기준으로 했을 때, 각 원소의 질량은 매우 정수에 가까운 값을 나타냈다. 1개의 양성자로만 이루어진 수소는 0.8% 정도 더 큰 값을 보였는데, 이는 질량이 원자핵의 결합 에너지로 변환된다는 질량 결손 이론과 연결되었다.

3. 수상 및 업적

4. 개인 생활

프랜시스 윌리엄 애스턴은 운동을 즐겨했다. 겨울에는 크로스컨트리 스키와 스케이팅을 즐겼고, 스위스와 노르웨이를 자주 방문했다. 제1차 세계 대전 중에는 등반을 시작했다. 20세에서 25세 사이에는 자전거를 즐겨 탔고, 1902년에는 직접 연소 엔진을 제작하여 1903년 아일랜드에서 열린 고든 베넷 자동차 경주에 참가하기도 했다.[17] 수영, 골프, 테니스도 즐겼으며, 특히 러더퍼드와 케임브리지의 다른 동료들과 함께 테니스를 즐겼다. 잉글랜드, 웨일스, 아일랜드의 오픈 토너먼트에서 몇몇 상을 수상했고, 1909년에는 호놀룰루에서 서핑을 배우기도 했다. 음악가 집안 출신으로 피아노, 바이올린, 첼로를 수준급으로 연주하여 케임브리지에서 열리는 콘서트에 정기적으로 참여했다.[17] 1908년부터 호주와 뉴질랜드를 여행하는 것을 시작으로 전 세계 여러 곳을 방문했으며, 1938~1939년에도 다시 방문했다.[18][19]

애스턴은 뛰어난 사진작가였으며 천문학에도 관심이 많았다. 1925년 벤쾨벤, 1932년 수마트라, 1932년 8월 31일 캐나다 매고그, 1936년 6월 19일 일본 홋카이도의 가미샤리에서 열린 일식 관측 탐험대에 여러 차례 참여했다. 말년에는 1940년 남아프리카와 1945년 브라질 탐험대에 참여할 계획을 세우기도 했다. 그는 평생 결혼하지 않았다.

애스턴은 1945년 11월 20일 케임브리지에서 68세의 나이로 사망했다.[20]

5. 유산

달의 충돌구 애스턴이 그의 이름을 따서 명명되었다.[1]

영국 질량 분석 학회는 그를 기리기 위해 애스턴 메달을 수여한다.[2]

참조

[1] 웹사이트 Francis W. Aston - Biographical https://www.nobelpri[...] The Nobel Foundation 2017-10-05
[2] 웹사이트 The Nobel Prize in Chemistry 1922 http://nobelprize.or[...] Nobel Foundation 2008-04-14
[3] 간행물 Francis Aston and the mass spectrograph
[4] 문서 1616
[5] 서적 The Encyclopedia of Mass Spectrometry
[6] 간행물 Experiments on a New Cathode Dark Space in Helium and Hydrogen
[7] 간행물 Experiments on the Length of the Cathode Dark Space with Varying Current Densities and Pressures in Different Gases
[8] 간행물 The Distribution of Electric Force in the Crookes Dark Space
[9] 웹사이트 University of Birmingham - the University's Nobel Prize winners http://bhamalumni.or[...] 2014-09-28
[10] 웹사이트 Gas Chromatography-Mass Spectrometry https://www.acs.org/[...] 2019-11-19
[11] 간행물 Occultism and the atom: the curious story of isotopes https://iopscience.i[...] 2003-09
[12] 간행물 LXXIV. A positive ray spectrograph https://zenodo.org/r[...] 1919-12-01
[13] 간행물 Report of the International Committee on Chemical Elements: 1923
[14] 웹사이트 The Nobel Prize in Chemistry 1922 https://www.nobelpri[...] 2023-10-22
[15] 서적 Isotopes https://archive.org/[...] E. Arnold
[16] 서적 Mass-Spectra and Isotopes https://archive.org/[...] Edward Arnold
[17] 간행물 Cavendish's Crocodile and Dark Horse – The Lives of Rutherford and Aston in Parallel
[18] 간행물 Francis William Aston. 1877–1945
[19] 간행물 Francis William Aston – the man behind the mass spectrograph
[20] 뉴스 Dr. F.W. Aston Dies. Winner of the Nobel Prize in Chemistry in 1922. Noted for His Work With Isotopes. In Tour of This Country 23 Years Ago, He Foresaw the Releasing of New Energy. Developed Isotopes. Headed Atom Committee. Lectured in This Country https://www.nytimes.[...] 1945-11-22


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