5월의 기념일들은 가족, 동료, 스승 등 개인적 기념일이 많다. 재미 삼아 ‘5월의 과학사’를 검색하니 1911년 5월 어니스트 러더퍼드의 원자모형 발표가 나왔다. 러더퍼드, 원자모형, 스승의 날이 꼬리를 물면서 조지프 톰슨, 러더퍼드, 닐스 보어로 이어지는 스승과 제자들의 원자모형 연구가 떠올랐다.

톰슨은 1890년대 영국의 영향력 있는 물리학자였다. 그는 1884년 28세의 나이에 케임브리지대학 캐번디시연구소장이 됐다. 1897년에 음극선 연구로 전자를 발견했고 1904년에는 원자의 양전기 바다에 전자가 흩어져 존재하는, 이른바 ‘플럼 푸딩 모형’을 제안했다. 1905년에는 전자 발견으로 노벨물리학상을 받았다. 동시에 그는 뛰어난 스승이었다. 약 35년의 소장 재임 동안 캐번디시연구소에서 그가 지도한 학생 중에는 러더퍼드, 윌리엄 브래그, 막스 보른, 로버트 오펜하이머 같은 당대 최고 물리학자들이 포함됐다.

러더퍼드는 톰슨의 초기 제자 중에서도 특이했다. 당시 캐번디시에서 연구하는 사람들은 대부분 콧대 높은 케임브리지 출신이었다. 톰슨은 식민지 뉴질랜드 출신 ‘이방인’ 러더퍼드의 재능을 알아보고 함께 실험했고, 후임 소장으로 강력히 추천했다. 캐번디시연구소 설립 후 100년 동안 케임브리지 출신이 아닌 소장은 러더퍼드가 유일했다.

캐나다 맥길대학을 거쳐 1907년에 맨체스터대학 물리학 교수가 된 러더퍼드는 자연방사능물질의 특성에 관해 연구했고, 그 결과 1908년에 노벨화학상을 받았다. 이 연구의 연장선에 유명한 알파입자 산란 실험이 있었다. 실험에서 양전기를 띤 원자핵을 확인해 1911년 전자가 원자핵을 중심으로 도는 ‘행성모형’을 제안했다. 러더퍼드 모형은 스승의 모형을 폐기하는 주장이었다.

덴마크 출신 보어는 코펜하겐대학에서 1911년 금속의 전자 이론으로 박사 학위를 받은 뒤 전자 연구를 위해 캐번디시연구소로 갔다. 톰슨이 그를 러더퍼드에게 소개해 둘의 관계가 시작됐다. 보어는 반년 뒤 덴마크로 돌아간 뒤에도 편지로 러더퍼드와 꾸준히 연구 정보를 공유하고 조언을 구했다. 그는 행성모형의 안정성을 지적하고, 원자 스펙트럼 데이터에 기초해 전자가 원자핵 주변의 일정한 에너지 궤도에만 존재하는 ‘궤도모형’을 제안했다. 1913년에 이 내용을 포함하는 3편의 논문 초고를 러더퍼드에게 보냈다. 러더퍼드는 자신의 주장을 반박하는 이 논문들이 영국 학술지 ‘철학회보’에 실리도록 주선했다.

세 사람은 학위를 주는 지도교수와 학생 관계는 아니었다. 그러나 각각의 연구 경력, 직위, 연구 활동 내용을 보면 스승과 제자 관계로 볼 수 있다. 스승들은 자신의 주장을 폐기하는 젊은 연구자의 연구를 인정하고 도와주었다. 제자들은 데이터에 기반해 과감하고 창의적인 주장을 펼쳤다. 속마음이야 어떻든 공적으로는 매우 과학적인 청출어람이다. 교수와 대학원생 및 박사후 연구원 사이에 사제관계, 동료관계, 고용관계 등이 중첩돼 있고 조직화된 연구가 이루어지는 요즘 연구 현장에서 이런 사례를 기대할 수 있을지 모르겠다.