생글생글

과학과 놀자

레이저 프린터, 레이저 수술, 레이저 무기 등 널리 쓰이는 레이저…빛을 증폭시켜 얻은 직진성과 높은 에너지를 활용

'레이저'라는 용어를 이제는 일상생활 속에서 자주 접하게 된다. 레이저 포인터, 레이저 프린터, 레이저 마우스 등 간단 생활 도구에서 시작해 계산대에서 사용하는 바코드 스캐너, 안과·피부과 등 의료용으로 사용하는 레이저 치료 도구, 대형 공연장에서 사용하는 현란한 레이저 쇼, 사무실에서 종이류를 절단하는 레이저 커터, 철을 정교하게 자르는 공업용 레이저 절단기, 날아다니는 드론도 떨어뜨리는 레지날아다니는 드론도 떨어뜨리는 레이저 무기 등 우리 주변에서 너무나 많은 곳에서 레이저를 사용하고 있다.레이저가 무엇이기에, 어떤 특성을 가지고 있기에 이렇게 다양하게 활용되고 있을까. 레이저 원리는 빛의 유도 방출레이저 원리를 이해하기 위해선 먼저 모든 물질은 특정한 에너지 준위를 갖고 있다는 것을 알아야 한다. 물질은 어느 에너지 상태에서 다른 에너지 상태로 이동이 가능한데, 두 상태의 에너지 차이만큼 에너지를 외부로부터 흡수하거나 외부로 방출하게 된다. 외부로부터 에너지를 흡수하거나 방출하는 방법 중 하나가 빛이다. 빛은 파동이면서 입자로서 광자(빛 입자라는 뜻)라고 불리는데, 광자 하나는 빛의 진동수에 비례하는 에너지를 갖는다(E=hf). 외부에서 쪼여지는 빛의 에너지가 물질의 에너지 상태 차이와 같으면, 물질은 바닥 상태에서 들뜬 상태로 이동이 일어나며 빛을 흡수하게 된다(그림 1(가)). 반대로 들뜬 상태에 있는 물질은 저절로 바닥 상태로 이동하는 경향이 있는데, 이때 두 상태의 에너지 차이만큼의 빛을 방출하게 된다(그림 1(나)).아주 특별한 경우로 물질이 들뜬 상태에 있을 때 외부의 빛이 물질에 쪼여지면, 물질은 바닥 상태로 이동

과학과 놀자

물에서 몸이 뜨는 것처럼 부력이 존재한다는데…물체와 유체의 밀도 차이를 이용해 원심분리 기술 개발

우리가 배우는 여러 가지 과학 개념은 서로 다른 맥락과 영역에서 정의돼 얼핏 보면 서로 상관없는 것 같지만 매우 긴밀하게 관련된 경우가 종종 있다. 또 동일한 개념인데 각기 다른 맥락에서 사용하다 보면 서로 간의 관계를 의식하지 못할 때가 있다. 그중 한 사례로 '부력'을 들 수 있다. 부력은 물에서 몸이 떠받쳐지는 것같이 유체에 잠긴 물체가 뜨는 방향으로 작용하는 힘인데, 맥락에 따라 다르게 정의되고 서로 관련 없는 것처럼 사용된다.중학교 교육과정에는 물질이 상변화(相變化: 고체 액체 기체 등 물질 상태의 변화)를 해도 물질 자체는 변하지 않는다는 것을 확인하는 탐구활동이 제시돼 있다. 10년 전께 어느 중학교 교과서에 고체인 드라이아이스를 풍선에 넣고 저울로 무게를 측정한 뒤 기화해 풍선이 부푼 상태에서 무게를 다시 재 질량 차이가 없음을 확인하는 실험이 있었다. 마침 교생실습 수업을 참관하고 있었는데, 이 실험을 하던 6조 학생들이 드라이아이스의 승화 전과 후에 질량 차이가 있었음에도 측정 오차로 여기고 하나같이 질량 변화가 없다고 답했다. 하지만 실제 저울로 측정하면 <그림1>과 같이 드라이아이스가 기화해 풍선이 팽창하면서 저울의 수치는 점차 줄어든다. 이런 현상은 질량이 일정한 드라이아이스 풍선의 부피가 늘어나면서 부력이 커져 생기는 것으로, 다행히도 지금은 그 어느 교과서에서도 이 탐구 실험을 발견할 수 없다. 유체가 받는 중력에 의한 압력 차 vs 물체와 유체의 밀도 차부력은 일상에서 늘 경험하고 편하게 사용하는 개념인데, 초등학교 교육과정에서 용어는 도입되지만 중·고등학교 교육과정에서는 개념을 학습하는 과정이

과학과 놀자

사물의 '크기'는 표준화된 단위로 나타낼 수 있다는데…크고 작은 속성을 나타내는 '스케일'로 표현할 수도

‘크기’와 ‘스케일(scale)’이라는 용어는 과학의 모든 분야에서 사용되고 있는 매우 친숙한 것이다. 과학에서 중요한 핵심 개념들에 대해서는 꽤 긴 시간을 들여 학습하는데, 그 친숙함에 비해 이 용어들이 물질세계에서 갖는 의미를 생각해 볼 기회는 많지 않은 것 같다. 미국 NSTA(National Science Teachers Association)에서는 나노 과학과 공학에서 핵심 개념 9개를 선정하고 소개하는 책을 출간했는데, 첫 번째 핵심 개념을 ‘크기’와 ‘스케일’로 정의하고 있다. 크기는 표준화된 단위로 표현크기는 ‘사물의 양 또는 큰 정도’로 정의된다. 모든 사물은 1, 2, 3차원으로 정의될 수 있는 크기를 갖는다. 일반적으로 사물의 크기를 나타내는 길이, 면적, 부피는 표준화된 단위로 정의된 수치로 나타낸 것이다. 길이는 미터로, 면적은 평으로, 부피는 리터로 나타내 그 사물의 크기를 절대적인 값으로 표현한다. 예를 들어 어느 35인승 버스의 길이가 11미터(m)라면, 이는 단위 길이에 해당하는 1미터 크기의 11배가 되는 길이라는 뜻이다. 아파트 면적을 얘기할 때 ‘평(坪)’이라는 단위를 주로 사용하는데, 사람이 한 다리를 축으로 해 다른 다리로 넓게 원을 그리면 그 면적이 대략 1평이 된다. 그래서 25평 아파트라고 하면 그만한 원 면적의 25배가 됨을 나타낸다. 옛 속담에 ‘발 없는 말이 천리 간다’고 하는데, 이때 ‘리(里)’는 마을 하나의 크기로 대략 4㎞쯤 되는 거리가 기준이 돼 ‘천리’는 마을 천 개를 지나갈 만큼 먼 거리를 나타낸다.즉, 사물의 크기를 나타내는 방법의 기본 속성은 크기 기준이 되는 사물을 정하고, 이 기준과 비교해 사물의 크기를

과학과 놀자

야광물질의 빛 방출은 1~2분, 철 녹스는데 수년 걸려…녹는점·끓는점·밀도처럼 '시간'도 물질의 특성을 나타낼 수 있을까

과학이 지금까지 발전해올 수 있었던 것은 물질의 특성을 수치로 나타내는 객관적인 표현을 사용해 왔기 때문에 가능했다. 만약 물질의 특성을 빨갛다, 파랗다, 차다, 뜨겁다 등의 주관적인 표현으로만 나타내었다면, 과학의 진보가 이루어지기는 쉽지 않았을 것이다. 우리에게 익숙한 물질의 특성인 녹는점, 끓는점, 용해도, 밀도 등을 보면 ‘℃’, ‘g/물 100g’, ‘g/mL’ 등 여러 형태의 단위를 포함한 수치로 나타낸다는 것을 확인할 수 있다. 그러면 시간과 관련이 있는 물질의 특성도 존재할까?녹는점, 용해도, 밀도, 전도도 등 물질의 특성은 어느 특정 물질이 변하지 않는 상태에서 가지고 있는 고유한 성질로서 물질의 특성으로 다루어지고 있다. 하지만 물질은 항상 그 물질로만 존재하지 않고 변한다. 또 어떤 물질이 다른 물질로 변하지는 않지만 에너지 상태가 높고 낮은 상태 사이에서 이동하기도 한다. 즉, 한 물질이 다른 물질로 변하거나 다른 상태로 변하는 일이 일어난다. 이때 그 변하는 속도가 물질마다 또 물질의 상태마다 고유하다.물질이 반으로 줄어드는 데 걸리는 시간 ‘반감기’어떤 물질이 일정 시간 동안에 양이 변하였다면, 변화 속도는 시간과 양의 비로 나타낼 수 있다. 그러면 변화 속도는 물질의 특성을 나타내는 수치가 될 수 있을까? 물질의 수가 많으면 속도가 커진다. 즉, 양에 따라 변하는 값이므로 이는 물질의 특성을 대표할 수가 없다.그러면 조금 더 살펴보자. 이 물질이 스스로 분해하여 다른 물질로 변한다면, 이 물질의 개수는 시간에 따라 줄어드니 변화 속도는 마이너스 값을 가지고, 이 물질의 개수가 많을수록 줄어드는 양도 많다. <그림 1&g