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과학과 놀자

원자에서 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

과학과 놀자

'흑체복사'로 우주의 온도를 잴 수 있다

신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)으로 건물 출입구에서 체온을 확인하는 일이 일상이 되었다. 대부분의 큰 건물에서는 접촉하지 않고 적외선 카메라로 우리 몸에서 나오는 빛을 분석하여 체온을 잰다. 가시광선 카메라와 적외선 카메라를 결합하여 실시간으로 우리 모습과 체온을 동시에 보여주기도 한다. <사진1>은 대기로 재진입하는 우주 왕복선을 가시광선 및 적외선 카메라로 촬영한 사진이다. 과연 빛과 온도는 무슨 관계가 있을까. 흑체복사와 온도적외선 카메라를 이용한 체온 측정뿐 아니라 태양과 같은 별의 온도 측정에도 ‘흑체(black body)복사’의 원리가 이용된다. 검은 물체인 흑체가 어떻게 빛을 방출할 수 있을까. 화학 반응이나 핵반응이 전혀 없는 상태에서도 물체를 구성하는 입자들의 진동에 의해 빛이 방출될 수 있다. 또한 방출된 빛이 입자를 만나면 빛에너지가 모두 흡수되어 입자를 진동시킬 수 있다. 이와 같이 모든 빛을 흡수함과 동시에 빛을 방출할 수 있는 물체를 흑체라 한다. 온도는 입자의 진동을 나타내는 변수이므로, 흑체복사 원리를 이용하여 온도를 측정할 수 있다. 온도 변화가 매우 천천히 일어나는 경우 물체에서 열 때문에 방출되는 빛은 흑체복사로 근사(近似: 아주 비슷함)될 수 있다.물체 표면은 원자들로 구성되어 있는데, 원자를 확대하면 무거운 원자핵 주위를 가벼운 전자들이 감싸고 있다. 물체 표면이 전자로 덮여있는 것이다. 물체 표면에 있는 전자들은 온도가 높아지면 높아질수록 더 빠르게 진동한다. 전자들이 진동하면 어떤 일이 발생할까. 진공은 아무것도 없는 공간이 아니라 무한한 가능성의 공간으로 전자기적 성질을 지니고 있다

경제 기타

중국·인텔, 메모리 진출…최대 이익에도 웃지 못하는 '반도체 한국'

한국 반도체업계는 잘나간다. 더할 나위 없이 좋다. 지난 3분기 삼성전자와 SK하이닉스의 세계 D램 시장 점유율은 70%에 달했다. ‘단군 이후 한국 산업이 이뤄낸 최대 점유율’이란 얘기도 듣는다. 두 회사의 영업이익률은 30%가 넘는다. 반도체 수출만 한국 수출의 10%에 이른다. 삼성전자는 1993년 세계 메모리 시장 1위에 오른 뒤 22년째 수성 중이다. 하지만 업계를 둘러싼 분위기는 심상치 않다. 당장 한국이 장악하고 있는 메모리 반도체 시장에 대한 중국과 미국의 도전이 거세다. 평택 반도체단지 송전선 설치 반대 등 내부에서도 잡음이 나고 있다.한국 반도체는 기록경신 중올 3분기 D램 시장에서 삼성전자는 42.3%의 점유율을 달성했다. SK하이닉스는 26%로 2위였다. 삼성전자는 낸드플래시 시장에서도 원조격인 도시바를 10%포인트 이상 제치며 38.3% 점유율로 1위였다. SK하이닉스는 15.1%를 점유했다.상대적으로 처지던 시스템반도체에서도 최근 성장세가 두드러진다. 삼성전자는 애플 아이폰6S에 들어가는 ‘두뇌’인 모바일 애플리케이션프로세서(AP)를 제조해주고 있으며 퀄컴 시스코 등도 파운드리 고객으로 유치했다. 미래 자율주행차 등의 중심이 될 이미지센서에서도 일본 소니를 바짝 뒤쫓는 2위다. 최첨단 3차원(3D) 낸드는 업계에서 삼성전자만이 2년째 양산하고 있다. 이를 바탕으로 하드디스크드라이브(HDD)를 대체하고 있는 솔리드스테이트드라이브(SSD) 시장에서 삼성은 50% 이상의 점유율로 1위를 달리고 있다.이 같은 기술력을 앞세워 지난 8월까지 한국 업체들이 수출한 반도체는 약 470억달러어치에 달한다. 품목별로 보면 2위 자동차(337억달러)를 30% 이상 앞선 압도적 1위다. 1990년 첫 수