서울백북스

공부자료
2017.02.15 17:37

호기심의 과학

조회 수 199 추천 수 0 댓글 0
?

단축키

Prev이전 문서

Next다음 문서

크게 작게 위로 아래로 댓글로 가기 인쇄
?

단축키

Prev이전 문서

Next다음 문서

크게 작게 위로 아래로 댓글로 가기 인쇄

<호기심의 과학-유재준> 사용설명서

?

?

?

이 책은 서울대 물리천문학부 유재준 교수가 중력을 중심으로 한 거시세계와 양자를 중심으로 한 미시세계의 핵심 개념을 중심으로 비이공계 학생들이 어느 부분에서 좌절하고 햇갈리는지를 아마추어의 머릿속으로 들어가 체계적으로 명쾌하게 설명하고 있는데, 그런 의미에서 폭력적이지 않는 책입니다.

예를 들면 양자의 과학을 설명하기 위해서 전자와 빛의 관계, 빛이 어떻게 색이 되는지, 파동의 세계를 순차적으로 설명해 나가다가 우리는 얼마나 작은 물체까지 잴 수 있는지 물어보며 원자의 크기는 어떻게 측정하는지 잔뜩 호기심을 불러일으키는 방식입니다. 즉 현상에 대한 논리적 분석과 함께 그렇게 생각하게 된 근거와 증거는 무엇인지 밝혀 나가면서 과학적 사고란 무엇인지, 어떻게 하는지 보여줍니다.

이 책을 통해서 평소 궁금증만 가지고 있고 혼란스러웠던 원자 세계와 중력의 세계에 대해서 많은 부분이 안개가 걷히는 느낌이었습니다. 무아레 무늬, X-선 결정학의 방법 등 새롭게 알게 되는 부분도 많이 있고요....

?

?

?

?

원자의 크기는 어떻게 측정할 수 있을까?

?

“일정한 간격을 띤 무늬가 겹쳐져서 원 간격의 주기보다 더 큰 무늬를 만드는 현상을 무아레 간섭이라고 한다.

?

무아레 무늬로 바짝 붙어있는 두 선분의 간격을 잴 수 있을까?

?

무아레 무늬가 생기는 원리는 측정의 정확도를 높이는 데 쓰이기도 한다. 측정의 기준이 되는 격자의 간격, 즉 주기를 정확히 알고 있으면 측정하려는 대상이 되는 격자의 간격은 그 차이가 아무리 작아도 정밀하게 측정할 수 있다.

여기서 무아레 무늬의 주기는 격자 주기 차이에 반비례한다는 점에 유의하자. 어미자와 아들자를 이용해 정밀하게 눈금을 구분한 버니어 캘리퍼스가 바로 이 무아레 무늬의 원리를 이용한 것이다. 무아레 무늬의 원리는 아주 작은 물체의 측정에 상당히 유용하다.

그래핀은 탄소 원자가 벌집모양의 2차원 격자를 이루고 있는 물질이다. 이렇게 작은 격자 간격을 가진 그래핀을 잡아당겨 늘리거나 비틀면 격자가 찌그러지는데 그 크기는 약 0,001 나노미터 정도다. 이렇게 작은 변화를 측정할 때 무아레 무늬가 중요한 역할을 한다.

?

무아레 무늬의 주기는 파동의 간섭 현상 때문

?

주기의 차이에 의해 시각적으로 만들어지는 줄무늬는 파동이 겹쳐지면서 보강간섭 또는 상쇄간섭의 형태를 보인다. 예를 들어 파동의 주기, 즉 파장이 1센티미터인 파동과 파장이 0.9센티미터인 파동이 겹쳐진 파동의 모양은 9센티미터의 파장을 갖는다. 1센티미터와 0.9센티미터 간격의 빗살무늬를 겹쳤을 때 9센티미터 간격의 무아레 무늬가 나타나는 것과 같다. 그래서 무아레 패턴을 간섭무늬 또는 물결무늬라고 부르기도 한다.

맥놀이 현상은 공간적으로 퍼진 형태가 아니라 시간에 따른 변화이기 때문에 시각적으로 관측하기는 어렵다. 하지만 맥놀이에서 시간을 공간으로 바꿔 생각해 볼 수는 있다. 맥놀이나 무아레 무늬가 같은 원리에서 나왔다면 이런 파동의 간섭 현상을 잘 활용해서 시간적 주기의 차이를 공간적 주기의 차이ㅡ 즉 길이로 바꿔 보는 것도 가능할 것이다.

?

X-선을 원자 격자에 비추면, 간섭무늬로 원자의 위치를 결정할 수 있다.

?

X-선은 0.01-10나노미터의 파장을 갖는 전자기파다.

1890년 영국의 물리학자 윌리엄 브래그는 X-선 파장의 크기가 원자 결정 내에서 원자 간의 거리와 비슷하다는 점에 주목했다. 그는 X-선의 파장이 원자 간의 거리와 비슷하다면, 원자 격자에서 반사되는 X-선 파동의 간섭무늬로 원자의 위치를 알아낼 수 있지 않을까 생각했다. 반사된 전자기파가 퍼지는 방향에 따라 간섭무늬의 모양이 달라지는 현상은, 무아레 간섭무늬가 격자 주기의 차이에 의해 생기는 것과 같은 원리다. 간섭무늬 아이디어를 발전시킨 브래그는 X-선이 결정의 격절에 의해 회절되는 현상에서 결정 내부의 원자들의 위치를 구하는 원리를 밝혔다(1915년 노벨 물리학상)

브레그가 제시한 X선 결정학 방법의 핵심은 원자 간 간격과 비슷한 파장의 전자기파를 이용해, 주기적으로 배열된 원자에서 반사된 전자기파가 공간에 펼쳐낸 간섭무늬의 모양으로 원자의 위치를 알아내는 것이다. 무아레 무늬의 주기로부터 원 격자 주기의 차이를 알아내는 것처럼 말이다. 왓슨과 크릭이 밝힌 DNA 이중나선 구조와 같이 주기성이 없는 분자나 DNA 물질도 격자모양으로 배열한 후 X-선 분석을 통해 그 구조를 밝힐 수 있었다. X선 결정학 방법은 우리 주변의 거의 모든 물질의 결정 구조를 분석하는 데 큰 역할을 한다.

?

하지만 측정의 한계는 있다.

?

무아레 무늬나 X-선의 간섭무늬를 이용한 측정에도 한계가 있다.

주기가 변하면 간섭무늬도 변형되기 때문에 결국 원자의 위치를 정확하게 찾아내기 힘들어 진다. 더욱이 모든 물체나 파동이 유한한 공간에 존재하기 때문에 무한히 반복되는 주기성을 가정한 분석에도 무리가 있다.

가장 근본적인 논점은 원자의 위치에 대응하는 점이나, 원자의 배열로 이루어진 선을 얼마나 정확히 정할 수 있느냐는 문제에 있다.

결국 측정의 한계를 알아보려면 우리가 추상적으로 이해한 ‘무한히 얇은 선이나 면’이 존재하지 않는다는 것을 이해하는 데서 다시 생각해 봐야 한다. 그렇다면 원자의 크기는 어떻게 측정할 수 있을까?

?

그렇다면 원자현미경으로 본 원자는 원자의 진짜 모습일까?

?

원자현미경은 뾰족한 탐침을 이용해 물체 표면의 원자 위치를 측정하는 장치로 수천만 배의 배율로 원자 단위까지 보여주는 초정밀 측정 장치다. SPM주사탐침현미경 측정의 최대 장점은 X-선 결정학에서는 필수적인 원자의 주기적 배열이 필요하지 않다는 점이다.

SPM현미경으로 찍은 이미지를 보면 원자의 위치는 구분이 되지만 구체적으로 각 원자의 모양이 어떻게 생겼는지는 확실치 않다.

?

그럼 원자의 모양은 어떻게 생긴 걸까?

?

엄밀히 말하면 SPM에서 측정하는 것은 원자 그 자체라기보다 핵 주변에 분포된 전자 구름에 의한 전류 또는 힘이기 때문이다.

점, 선, 면은 수학적으로 정해지는 개념이고 모두 추상적인 직관에 불과하다.

데카르트는 물체의 위치를 좌표 위의 점으로 표시했고, 뉴턴은 그 물체의 움직임을 기술하기 위해 시간에 따른 위치 변화를 운동 법칙으로 정리했다. 그런데 20세기 이후 측정 과학기술이 고도로 발달하면서 ‘측정된 물체의 위치’와 그 물체의 ‘추상적인 점의 위치’가 동등한 것인가에 대한 의문이 생겨났다. 다시 말하면 특정 위치의 점으로 대변되는 ‘입자’의 속성이 우리가 측정하는 원자나 전자와 같은 물체에 적용될 수 있는지 확실하지 않다는 것이었다.

?

?

?

헉! 원자의 반지름이 여럿이래요.

원자를 단독으로도 볼 수 없다고 하고..

그러면 원자의 존재는 어떻게 보는 거죠?

그럼 원자를 어떻게 관찰하는가요?

?

사과를 볼 때와 전자를 볼 때의 차이점

?

원자 반지름이 여럿인 이유

주기율표에는 각 원소의 밀도, 녹는점, 끓는 점, 융해열, 기화열 등의 성질과 더불어 원자 질량, 원자 반지름이 명시돼 있다. 예를 들어 구리 원소의 원자 질량은 몰당 63,546그램이고, 원자 반지름은 0,135나노미터다. 여기서 재미있는 점은 구리 원자의 반지름이 한 개가 아니고 여러 개라는 사실이다. 구리 원자의 공유 반지름은 0,138나노미터, 판데르발스 반지름은 0,140나노미터다.

산소 원소의 경우는 원자 반지름이 0,060나노미터, 판데르발스 반지름이 0,152나노미터로 큰 차이를 보이기도 한다. 원자의 반지름을 정했다는 것은 원자가 공처럼 둥근 구 모양임을 가정한 것인데, 그 크기가 다르다는 것은 무슨 의미일까?

원자의 모습은 우리가 막연히 생각하는 기하학적인 구 모양도, 전자가 핵 주위를 공전하는 모양도 아니라고 했다. 19세기 말까지는 1백억분의 1미터에 불과한 입자의 크기를 직접 측정할 방법이 없었기 때문에 원자의 존재 그 자체가 논란의 대상이었다. 21세기 현재의 기술로도 0,1나노미터의 원자 크기를 직접 측정하기 어려운 것은 마찬가지다. 주기율표에 각 원소의 원자 반지름을 공유 반지름, 이온 반지름, 판데르발스 반지름으로 나누어 각기 다른 값을 적어 놓은 것은 원자의 반지름이 명확히 정해지지 않는다는 것을 의미한다고도 볼 수 있을 것이다.

아직까지 외떨어진 원자의 모양을 직접 관찰한 적이 없어, 원자의 모습을 직접 보여주며 실상이 이렇다고 말을 할 수는 없다. 또 원자의 반지름을 기하학적인 구 모양의 반지름처럼 간단히 정할 수도 없다. 왜냐하면 원자의 반지름은 정하는 방법에 따라 그 크기가 달라지기 때문이다.

모양이나 크기가 분명치 않은 원자의 반지름을 정하려면, 두 개 또는 그 이상의 원자가 붙어 있을 때 원자핵 간의 거리를 측정하는 방법밖에 별다른 도리가 없다. 그런데 원자들이 서로 가까워지면 각 원자 속 전자들의 위치가 주변 원자의 영향을 받아 바뀌거나 심지어 이웃 원자로 옮겨가는 경우도 생긴다. 결과적으로 각 원자의 반지름은 주변 원자의 환경에 따라 그 크기가 변할 수 있다. 외떨어진 원자의 모양을 명확히 측정할 방법이 없으니 원자의 반지름을 정확히 알 수 없다는 말이다.

?

원자를 단독으로 볼 수 없다면, 그 존재는 어떻게 알 수 있었을까?

?

앞선 글 <원자의 크기는 어떻게 측정할 수 있을까?>에서 0,1나노미터 크기의 파장을 갖는 X-선이 규칙적으로 배열된 원자들에 회절하면서 만든 간섭무늬로 원자 간의 간격을 잴 수 있다고 했다. X-선의 간섭무늬로 알 수 있는 것은 원자 간의 간격이다. 실제로 각 원자의 모양이 어떤지는 알 수 없다. 하지만 우리는 X-선의 회절무늬가 생긴다는 그 자체로 ‘물질이 규칙적으로 배열된 입자’로 구성되어 있다는 중요한 사실을 알 수 있다.

?

충돌이 일어나면, 뭔가 있는 것이다.

밝은 빛 아래 놓인 사과는 빛을 반사하고 그 빛을 바라보는 눈의 망막에 이미지를 만든다. 이런 과정을 통해 뉴턴은 사과가 놓인 방향과 사과의 위치를 파악할 수 있다.

여기서 ‘본다’는 과정의 핵심은 ‘빛 알갱이’와 ‘사과’의 충돌지점이다. 이 관점을 조금 더 확장하면 빛 알갱이 대신 전자를 쓸 수도 있고, 심지어는 야구공을 이용해도 위치를 측정할 수 있다는 말이 된다. 실제로 전자현미경은 바이러스 사질을 찍을 때 바이러스에 부딪혀 반사 또는 회절되는 전자를 이용한다. 단지 전자현미경은 자석을 활용한 렌즈를 이용한다는 차이가 있을 뿐이다. 결과적으로 빛 알갱이든 전자든 모두 충돌 과정을 통해 물체의 존재 여부와 위치를 결정한다.

전자현미경에서 전자와 사과가 충돌하는 것처럼, 전자 대신 특정 입자를 이용하여 일정한 힘을 주고 받는 충돌 과정을 확인하면 새로운 입자의 존재를 밝힐 수 있다. 힉스 입자도 핵 입자를 높인 에너지로 가속하여 충돌시키는 실험을 통해 발견됐다.“ <호기심의 과학> 중에서

?

?

?


  1. <바람의 자연사> 빌 스트리버

  2. 김상욱의 양자 공부-서울 백북스 2월 강연 예정

  3. <생명, 경계에 서다>를 읽고

  4. <블랙홀과 시간여행> 12월 1일 오정근 박사님 강연 안내

  5. 10월 20일 이종필 박사님의 <물리의 정석> 강연 안내

  6. 8월 25일 서울 백북스 <아인슈타인의 시계, 푸앵카레의 지도>강연 안내

  7. 7월 28일 금요일 서혜숙 선생님의 <수학의 언어로 세상을 본다면> 강연 안내

  8. <산소와 그 경쟁자들> 김홍표

  9. 과학에서 중요한 건 확실성이 아니다-카를로 로벨리

  10. 김낙우 교수님의 ,맥스태그마크의 유니버스> 강연 안내

  11. 맥스태그마크의 유니버스

  12. <우주, 시공간과 물질> 사용 설명서

  13. 2월 24일 <호기심의 과학> 유재준 교수님 강연 안내

  14. 호기심의 과학

  15. <수학의 함> 장우석

  16. <이일하교수의 생물학 산책> 1부 발췌 요약

  17. <뇌처럼 현명하게> PPT 강연자료

  18. 27일 금요일 <뇌처럼 현명하게> 요약 및 박제윤 교수님 강연 안내

  19. <장하석의 과학, 철학을 만나다>

  20. 4/24 정기모임 발표자료입니다.

목록
Board Pagination Prev 1 Next
/ 1