[시리즈 연재] 1-5: 빛은 왜 반응속도 측정에 게임 체인저인가?

빠른 반응을 측정하기 위해서는 세 가지가 핵심입니다.

• 첫번째는 반응 물질을 매우 빠르게 섞을 수 있어야 합니다.

• 두번째는 반응의 시작버튼을 매우 빠르게 누를 수 있어야 합니다.

• 세번째는 그렇게 빠르게 버튼을 누른 후 변화를 빠르게 기록할 수 있어야 합니다.

1-3편에서 만프레드 아이겐은 첫번째 문제를 멋지게 '우회'했습니다. 빠르게 섞지 않고 반응이 충분히 진행된 이후 평형지점에서 반응의 '시작버튼'을 빠르게 눌렀던 것이죠.

노리시와 그의 제자인 조지 포터는 첫번째 문제를 다른 관점에서 풀었습니다.

바로, 세상에서 가장 빠르게 도달하는 녀석, '빛'으로 첫번째 문제와 두번째 문제를 동시에 풀어버리는 것입니다.

A→B 라는 반응을 다시 예로 들어보겠습니다. 만약 이 반응이 가만히 두면 거의 일어나지 않는 반응인데, A가 '빛'을 흡수했을 때만 일어난다고 해보겠습니다. 그럼 반응은 A+빛→B 으로 나타낼 수 있습니다. 이전에 예시로 들었던 C+D→E 반응과 비슷하지만, 근본적으로 C와 D는 물질이므로 충돌 속도 이상으로 빠르게 접근할 수도 없고, 그 충돌을 제어하기도 힘듭니다. 즉, 한 순간에 C와 D가 섞이도록 하는 것은 매우 어렵습니다. 빠른 반응의 경우 섞이면서 반응이 일어나기 때문에 반응속도를 정확히 측정하기도 어렵습니다.

반면, 빛은 일반적인 물질과 달리 매-우 빨라서 순식간에 A와 충돌합니다. 그래서 반응을 ‘시작시키는’ 시점은, 우리가 빛을 쏘는 시점과 거의 같아집니다. 빛을 아주 짧은 순간, 원하는 시점에 발생시킬 수 있다면 빠른 반응의 속도를 측정하기 위한 두 가지 조건을 해결할 수 있는 셈이죠!

1920년대부터 노리시(Norrish) 교수는 반응 속도론을 연구해 왔으며 이 분야의 선도적인 과학자 중 한 명이었습니다. 1940년대 후반, 조지 포터(George Porter)라는 젊은 동료가 합류했습니다. 그들은 사진사들이 사용하는 것과 같은 섬광 램프(flash lamp)를 사용하기로 했습니다. 유일한 차이점은 램프를 수천 배 더 강력하게 만들었다는 것입니다. 실제로 이후 개량 과정을 거쳐, 스톡홀름 전체가 겨울 오후 피크 시간대에 사용하는 전력량보다 더 강력한 출력을 내는 램프가 제작되었습니다. 그 전력량은 60만 킬로와트에 달합니다. - Nobel Prize in Chemistry 1967 Award ceremony speech

이제 세번째 조건 "그렇게 빠르게 버튼을 누른 후 변화를 빠르게 기록"하는 문제로 넘어가겠습니다. 저번에도 말씀드렸듯이 이 문제는 매우 중요한 문제입니다. 측정을 빠르게 하지 못한다면 아무리 빠르게 반응을 '시작'시켜도 소용없으니까요! 방금 인용했던 노벨상 수상 연설의 뒷부분을 살펴보시죠.

하지만 딱 한 가지 난점(catch)이 있습니다. 램프의 이 엄청난 효과는 불과 100만분의 1초(마이크로초) 정도만 지속된다는 것입니다. 그럼에도 불구하고, 이 방법을 통해 섬광 램프 옆의 튜브에 있는 물질의 대부분은 아니더라도 상당 부분을 활성화된 형태로 변환시키거나, 분자를 쪼개어 반응성 높은 원자단을 생성할 수 있습니다. 그러면 새로 형성된 이 분자들을 분광학적(spectroscopically)으로 연구하는 것이 가능해지지만, 이들이 매우 쉽게 반응하기 때문에 측정은 극도로 빨라야 합니다. 다행히 현대 전자 장비 덕분에 이러한 빠른 과정을 기록할 수 ...