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과학과 놀자

번개를 보면 '꼬마요정' 전자의 자유를 생각해보세요

만물의 근원을 탐구하던 철학자 탈레스는 동물의 털과 호박(화석화된 송진)을 맞대고 문지르면 힘이 작용한다는 사실을 발견했다. 그 작용의 주역은 전자의 이동이다. 호박을 의미하는 그리스어 λεκτρον(일렉트론)에서 전자의 영어단어 electron이 유래했음은 현대인의 상식이다. 하지만 많은 상식이 그렇듯이 배경이나 근본적인 속성에 대한 이해는 막연하다.전자는 본래 물질 구성의 기본 요소인 원자 내에 존재한다. 쿨롱 힘으로 양의 전하를 띠는 원자핵에 구속되어 있다. 전자의 파동성을 고려하여 양자역학 방정식을 풀어내면 전자가 존재할 수 있는 불연속적인 상태가 구해지는데, 이를 전자궤도 혹은 오비탈이라고 한다. 원자의 성질은 전자가 들어있는, 가장 큰 궤도에 따라 정해진다. 구조가 비슷한 궤도까지 전자를 채운 원자들은 비슷하게 행동한다. 이런 개념을 확장한 것이 주기율표다.두 개 이상의 원자는 전자를 공유함으로써 화학 결합을 형성한다. 20세기 초반 GE에 근무하던 물리학자 랭뮤어가 화학자 루이스와 ‘원자가 이론’을 제안하면서 주기율표의 원소들이 화학 결합을 형성하는 방식을 설명할 수 있게 되었다. 이를 바탕으로 분자 수준에서 생명 현상을 연구하는 분자생물학이 시작되고 DNA 구조가 분석될 수 있었다. 열·에너지로 인해 원자핵의 속박에서 벗어나는 자유전자원자가 규칙적으로 배열된 결정 구조에서 수많은 원자를 아우르는 전자궤도의 중첩 상태 같은 것이 생기는 것을 양자역학으로 설명할 수 있다. 이것을 에너지 밴드라고 부른다. 구리나 은과 같이 전기를 잘 통하는 도체는 밴드 내부에 자유로운 전자가 많이 있다. 부도

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