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과학과 놀자원자에서 방출되는 빛은 전자기파 에너지…세상을 밝히는 빛, 물질과 우주의 신비도 알려준다
머리카락 굵기의 100억분의 1 정도 작은 크기인 원자핵은 어떤 모양일까? 400억 광년 거리에 있는 먼 우주의 별들은 나이가 얼마나 되고 어떤 물질로 이루어졌을까? 물질을 구성하는 기본 입자인 원자와 원자에서 방출되는 빛을 분석하면 이런 질문에 대한 해답을 얻을 수 있다. 최근에는 분석 기술 발달에 따라 플라스마나 동위원소 분석을 통한 핵융합과 원자력과 같은 거대과학에도 활용되고 있으며, 극초단 파장을 이용한 첨단 반도체 장비 개발에도 핵심 역할을 하고 있어 기초과학의 힘을 증명하고 있다.물질의 기본 구성 입자인 원자(atom)는 기원전 5세기경 그리스의 철학자이자 과학자인 레우키포스와 그의 제자 데모크리토스가 만들어낸 ‘더는 쪼갤 수 없음’이라는 뜻의 atomos에서 유래하였다. 19세기 영국 화학자이자 물리학자인 존 돌턴이 모든 물질은 원자로 이루어졌다는 원자 이론을 발표하면서 지금과 같이 원자로 불리게 되었다. 이후 1922년 노벨 물리학상을 받은 양자역학의 아버지 보어에 의해 핵과 전자로 구성된 현대적 원자 모델이 정립되었다. 빛을 측정해 어떤 원자로부터 나왔는지 확인원자는 양성자와 중성자로 구성된 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 전자로 구성되어 있다. 전자는 특정 궤도에만 위치하고, 이 궤도를 준위라 부른다. 높은 준위에 있다는 것은 에너지가 크다는 것을 의미하며, 낮은 준위로 이동하면 에너지를 방출한다. 이때 방출하는 에너지는 전자기파, 즉 빛의 형태를 띤다. 원자에 따라 전자의 에너지 준위가 다르므로 방출하는 빛의 에너지를 측정하면 어떤 원자에서 나온 것인지를 구분해 낼 수 있게 된다. 이를 원자분광학이라 부르며, 원자에서 방출되
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과학과 놀자수천억 개 은하의 정보로 수치 알고리즘 만들어 추론해
모닥불 주변에 둘러앉아 치열했던 사냥을 회상하고 '불멍'을 즐기기 시작했을 즈음. 아마도 그때부터 원시 인류는 고개를 들어 밤하늘이 무엇인지 궁금해하기 시작했을 것이다. 만져지지 않는 밤하늘의 정체를 설명하고자 인류는 갖은 상상력을 펼쳐왔다. 상상의 흔적은 대상을 일컫는 이름에서도 찾아볼 수 있는데, 밤하늘을 가로지르는 무수한 별들의 무리를 가리켜 한자 문화권에서는 은빛 강물이라는 뜻의 은하수(銀河水), 영미권에서는 우윳빛 길이라는 뜻으로 'galaxy' 혹은 'milky way'라 불러왔다.인류의 지식체계가 견고해짐에 따라, 은빛 강물이나 우윳빛 길처럼 보이는 것은 인류가 거주하고 있는 ‘우리은하’의 단면에 해당한다는 것을 알게 됐다. 은하도 진화한다우리은하에는 태양처럼 스스로 빛을 내는 별이 대략 100억 개 존재하고 있는 것으로 알려져 있다. 각각의 별은 그 크기에 따라 다양한 수의 행성을 거느리고 있는데, 우리 지구도 평범한 별에 딸린 행성 중 하나다. 별들 사이의 공간은 새로운 별이 만들어지는 데 쓰일 가스구름으로 채워져 있다. 우리은하는 별과 행성, 가스구름 등으로 이뤄진 거대한 생태계라고 볼 수 있다. 100억 년에 달하는 시간 동안 서서히 지금의 형태를 갖추게 된 우리은하는 지금 이 순간에도 변화하고 있다. 천문학자는 이렇게 영겁의 세월을 거쳐 살아 있는 생명체처럼 변화하는 우리은하의 모습을 두고 줄곧 ‘진화한다’고 표현한다. 별들의 섬, 은하로 우주를 이해하기관측 가능한 우주에는 우리은하와 같은 은하가 수천억 개 존재하고 있을 것으로 추정된다. 일반적인 은하의 크기는 10만 광년(빛이 10만 년 동안 이동하
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과학과 놀자카본단열재가 없었다면 태양 탐사선도 없었다
‘바보야, 문제는 경제야!’는 유명한 미국 대통령선거 캐치프레이즈였다. 오늘 이 글에서 강조하고 싶은 것은 ‘재료’지만 자칫 ‘바보’라는 다소 거친 언사에 현혹되어 논점이 흐려질지도 몰라 제목을 ‘양반’으로 조금은 순화를 도모했다. 조선 후기에 양반이 얼마나 늘어났던지 그 이후로 우리는 일면식 없는 상대에게도 ‘이 양반’ ‘저 양반’이라고 지칭한다. 사실은 왕과 귀족을 떠받치는 하층 계급이던 무늬만인 그 양반(!)들의 거의 모두가 이제는 명실상부 자유롭고도 평등한 시민들이 된 데는, 성능은 좋은데 지구에 지천으로 널려 가격이 저렴한 철이라는 물질에 기인하는 면이 있다는 해석이 있다. 풍부히 매장된 철이 인류문명 발전 뒷받침지구에 풍부하게 매장되어 있는 철이 만약 구리 정도만큼의 소량으로만 존재했다면, 청동에 비해 기술적으로도 더 고난도인 고온의 제강 기술이 아무리 발달하더라도 희소성에 기인한 비싼 가격 때문에 청동기시대 이후 우리가 살아오고 있는 철기시대는 도래하지 못했을 수도 있다. 철이라는 고마운 재료는 도시의 솟아오른 마천루의 뼈대와 대륙을 가로지르는 철로의 재료가 되어 물질문명을 일으켜 세우고 또 그것을 온 세상에 퍼뜨림으로써 대다수 지구인이 문명을 크게 차별 없이 누릴 수 있게 했다. 민주주의라는 정치체제의 보편화에도 지분이 있는 것이다. 한마디로 요약하자면, 좋은 것이 값싸고 풍부하기 때문에 아무리 힘이 없는 사람들에게도 접근성이 주어진 것이다.구석기, 신석기, 청동기 및 철기와 같이 인류의 선사 및 역사 시대를 구분함에 있어 재료를 그 기준으로 삼은 것은 덴마크 박물
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과학과 놀자몸에서도 나오고 우주에서도 들어오는 방사선
방사선이란 단어를 들으면 보통 어떤 느낌이 들까? 방사선을 공부하고, 다뤄온 필자지만 일반인에게 방사선이라는 단어가 기분 좋게 다가가지 않으리라는 건 쉽게 예상 가능하다. 하지만 방사선은 우리 몸에서도 지금 나오고 있다. 인체를 구성하는 성분에는 칼륨-40, 탄소-14, 루비듐-87, 납-210, 폴로늄-210과 같은 방사성동위원소가 포함되어 있어 방사선을 계속 방출한다. 체중 60kg 성인 기준으로, 약 6000~7000Bq(베크렐, 1Bq은 1초에 1개의 원자핵이 붕괴하면서 방출하는 방사능)정도라고 한다.인간뿐 아니라 지구에 존재하는 모든 생명체와 물질은 조금씩 방사선을 내뿜는다. 우리는 방사선에 둘러싸여 있는 셈이다. 그렇다면 우리는 두려움에 떨며 살아야 할까? 결론부터 말하자면 전혀 그렇지 않다. 모든 생명체는 주위에서 발생하는 방사선에 적응하고 진화하며 생명을 유지해왔고 앞으로도 그럴 것이기 때문이다. 자연방사선과 인공방사선지구상의 환경방사선은 자연적으로 존재하는 자연방사선과 인위적으로 생성한 인공방사선 두 가지로 나뉜다. 자연방사선은 지구를 구성하는 지각에 포함된 천연 방사성핵종에서 방출하는 지각방사선, 우주에서 쏟아져 들어오는 우주방사선, 그리고 생명체가 방출하는 방사선으로 구분된다. 인공방사선은 인간의 필요에 의해 인공적으로 발생시킨 방사선인데 우리는 알파선, 베타선, 감마선, 엑스선과 같은 방사선을 인위적으로 만들어 질병 치료와 검사, 구조물 비파괴 검사 등에 활용한다.그렇다면 우리는 이런 환경방사선에 얼마나 노출되고 있을까? 지각을 구성하는 물질은 지역별로 다르기 때문에 지각방사선 노출량은 나라별 도시별로 차이가 크다. 일반적
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과학과 놀자몇 년씩 걸리던 지도 데이터 갱신…드론·드로이드 활용으로 하루 만에 가능
지도란 시공간에 존재하는 여러 상황을 일정한 약속에 따라 나타낸 것을 말한다. 우리가 살고 있는 지리적 공간을 축소해 표현함으로써 넓은 지역을 한눈에 알 수 있게 된다. 우리에게 흔히 알려진 김정호의 대동여지도는 지형과 교통 요소를 모두 갖춤과 동시에 산줄기와 물줄기를 사실적으로 그려 넣어 조선시대 지표의 기복을 전달하고 있다. 조선 후기에는 간접적이긴 하나 서양의 현대적 지도가 우리나라에 도입됐고, 위성영상지도, 사진지도 등 각종 특수도, 즉 특수한 지도를 제작하기 시작했다.과거 항공 촬영으로 지도에 변화한 지형을 나타내기 위해서는 지도 관련 계획을 세웠다. 이후 항공사진 업체를 선정한 뒤 지도 제작을 하려면 수개월에서 수년이 걸리던 시절이 있었다. 그러나 요즘은 수년이 걸리던 지도 갱신이 하루도 걸리지 않는다고 한다. 그 이유는 객체 단위 데이터베이스로 전환된 디지털 지도가 탄생했기 때문이다. UAV와 UGV는 무슨 차이가 있을까?디지털 지도 제작에서 효율적이고 효과적인 방법으로 알려진 UAV(Unmanned Aerial Vehicle: 무인항공기)와 UGV(Unmanned Ground Vehicle: 무인자율지상차량)는 어떤 특징이 있는 것일까? UAV는 무인항공기, 즉 우리에게 익숙한 드론을 의미한다. 실제 조종사가 탑승하지 않고 지상에서 사전 프로그램한 경로를 따라 자동 또는 반자동으로 진행되는 시스템을 통칭한다. 원격 제어를 통해서 무인항공기의 움직임을 조절할 수 있기 때문에 사람이 접근하기 어려운 지역이라도 쉽게 정찰하고 정보를 습득할 수 있다. 최근에는 무인항공기를 항공사진 촬영, 기상관측 등 다양한 곳에 활용하고 있다. UGV는 무인자율지상차량인 드로이드를 의미한다. 육상 드
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과학과 놀자환경오염 적고 분해기간 짧은 생분해성 플라스틱, 전분·게껍데기 등 천연고분자나 화학합성 고분자로 만들어
세계 인구는 현재 약 77억 명으로 추정된다. 한국은 국토가 작지만, 인구는 약 5000만 명으로 면적 대비 인구밀집도가 다른 나라보다 높은 편이다. 유럽 플라스틱·고무 생산자 협회인 유로맵(EUROMAP)에서 2016년 발표한 '세계 63개국의 포장용 플라스틱 생산량 및 소비량 조사' 자료에 따르면 한국의 1인당 플라스틱 소비량은 연간 약 132.7㎏으로 1인당 배출하는 플라스틱 양이 세계에서 세 번째로 많다고 알려져 있다.이를 기준으로 계산하면 우리 국민이 연간 배출하는 폐플라스틱양은 663만5000t이다. 이는 사업장에서 폐기되는 폐플라스틱을 제외한 양이다. 또한 환경단체 그린피스의 발표에 따르면 한국인이 연간 사용하는 플라스틱 컵을 모두 쌓으면 지구에서 달에 닿을 정도라고 한다. 우리 삶에서의 플라스틱 문제플라스틱은 C-H(탄소와 수소)로 이뤄진 분자들이 사슬 구조로 결합된 화학결합물을 주요 성분으로 하는 물질이다. 가볍고 단단하며 가공이 편리해 우리 삶의 다양한 부분에 사용되고 있다. 많이 쓰이지만 일반인이 인식하지 못하는 분야로 건물 안의 수도 배관, 아크릴 액자, 플라스틱 서랍장 등이 있다. 코로나19 사태 이후 포장용기 사용 증가로 플라스틱 폐기물이 급증하면서 심각한 사회문제로 떠올랐고, 이를 해결하기 위해 환경부는 생활 속 플라스틱 사용을 줄이는 ‘고고 챌린지’ 캠페인을 벌이고 있다. 많은 국민이 플라스틱 폐기물이 환경에 미치는 영향이 심각하다는 것을 알고, 환경적으로 안전하게 처리되지 않는다고 생각한다. 하지만 실생활에 밀접한 용품이기에 대체재가 존재하지 않는 한 바꾸기 어려운 실정이다. 또한 국내 플라스틱 폐기물의 70% 이상이
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과학과 놀자우리가 매일 쓰는 물은 어디에서 와서 어디로 가는 걸까?
우리는 매일 물을 마신다. 또 손을 씻고, 수세식 화장실도 사용한다. 우리가 매일 쓰는 물은 어디에서 와서 어디로 가는 걸까? 물은 지구 시스템을 크게 순환하고 있으며, 우리는 그 물의 일부를 활용하고 있다. 지구 시스템의 수권에 있는 물의 97%가량은 바닷물, 3% 정도가 육수(담수)다. 육수의 약 68.697%는 빙하로 존재하며, 30.061%는 지하수로 존재한다. 인류가 주로 사용하는 물은 강(0.006%)과 호수(0.26%)에 존재한다.우리나라에는 어느 정도의 비가 내리는 걸까? 2019년 기준으로 기상청 기상자료개방포털에서 전국 기준 강수량을 확인해 보면 1184.3㎜다. 2019년 기준 우리나라 면적은 약 1004억㎡이므로, 강우 총량은 강수량에 우리나라 면적을 곱하여 계산해 보면 1190억t 수준이 된다. 비는 강, 호수, 그리고 땅 위로 내리고, 땅 위로 내린 비는 땅으로 스며들거나 땅위를 흘러 결과적으로 강 또는 호수로 흘러간다. 강 또는 호수에 있는 물은 일부 증발되어 다시 대기 중으로 돌아가게 된다. 제주도는 지층을 구성하는 현무암의 투수성(땅으로 물이 투과하는 성질)이 높아 강이 없고 지하수 형태로 존재하게 된다. 지질학적 특징에 따라 물 순환의 형태가 다를 수 있다. 예를 들어 입자가 상대적으로 큰 암석 또는 모래가 포함된 지층은 물 투과 속도가 빠르고, 입자가 상대적으로 작은 진흙이 포함된 지층은 투과 속도가 느리다. 국민 1인당 하루 1260L의 물을 사용2019년 빗물로 내린 1190억t 중에 우리는 어느 정도의 물을 사용하는 것일까? 지구 시스템의 큰 물 순환 중에서 인간 활동을 위하여 사람들이 사용하는 물은 생활용수 공업용수 농업용수로 구분되며, 환경부 수자원장기종합계획에 따르면 2014년 기준으로 생
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과학과 놀자초음파 기술 알게 해준 박쥐…코로나로 미워하지 마세요
최근 인도를 출발해 미국으로 향하던 여객기가 이륙 30분 만에 회항하는 사태가 일어났다. 원인은 동굴에서만 주로 서식하는 박쥐가 난데없이 비행기에 나타났기 때문이다. 2021년 6월 1일 현재 전 세계 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 사망자 수는 350만 명을 넘어섰다. 이런 무시무시한 바이러스를 퍼트린 진원으로 박쥐를 지목하는 연구들이 속속 나오면서 페루 등에서는 박쥐를 몰살하려는 시도가 있었다.이처럼 오늘날에는 박쥐가 인류사에 지대한 악영향을 미치는 동물로 기록되고 있지만, 박쥐가 사용하고 있는 초음파의 발견은 아이러니하게 많은 사람에게 이로운 기술로 활용되고 있다. “박쥐는 인간의 적이 아닙니다.”1794년 호기심 많은 신부이자 생물학자인 라차로 스팔란차니(1729~1799)는 박쥐의 야간비행에 관심을 가졌다. 대부분의 새는 해가 지면 쉬는데 박쥐는 어둠 속에서 더욱 활개를 치며 날아다닐 뿐만 아니라, 아무리 어두워도 장애물을 피해 아무런 어려움 없이 작은 벌레들을 잡아먹을 수 있었다. 스팔란차니는 박쥐의 감각을 하나씩 제거하는 기괴한 실험을 하면서 박쥐가 ‘청각’에 의해서 야간비행을 할 수 있다는 것을 발견했다. 이후 1880년 프랑스의 형제 물리학자인 자크 퀴리(1855~1941)와 피에르 퀴리(1859~1906)가 압전 현상을 발견하고 초음파를 감지할 수 있는 장비들이 개발되면서 박쥐가 초음파를 사용한다는 ‘스팔란차니의 박쥐 문제’가 해결됐다. 물체 속과 몸의 내부를 알 수 있는 초음파초음파는 물리적 진동인 음파의 한 종류다. 우리가 흔히 들을 수 있는 주파수(진동수)를 가청 주파수라고 하고, 이는 공기가 1초에 20번 진동하는 20㎐부터