[시리즈 연재] 2.5 양자호텔 긴급 A/S 2편

안녕하세요? 오랜만에 시리즈로 돌아왔습니다. 혹시나 처음 혹은 기억이 나지 않는 분들을 위해 간단히 복습하고 넘어가도록 하겠습니다. 프롤로그에서 놀랍게도 눈에서 일어나는 여러 화학반응 중 가장 빠른 반응은 약 200 펨토초만에 일어납니다. 라는 문장으로 시작했습니다. 그리고 1967년 노벨 화학상, "매우 짧은 에너지 펄스를 가해 평형을 순간적으로 교란하고, 그 결과 나타나는 초고속 화학 반응을 연구한 공로"에 대해 총 5편에 걸쳐서 다뤘습니다. 1-1편에서는 화학에 대한 아주 기본적인 설명부터 시작해서 화학 반응 그리고 반응 속도와 평형에 대해서 다뤘습니다. 그 과정에서 곁다리로 1901년 노벨 화학상도 살짝 다뤘습니다. 여기서 제시한 목적은 빠른 반응 속도를 이야기하는데 왜 ‘빛’이 필요하지? 에 대한 의문을 해소하는 것입니다. 1-2편에서는 반응을 위해 "단순히 물질들을 충분히 빠르게 섞을 수 없다는 이유"에 대해 설명하고 동시에 변화도 '빠르게 측정'이 필요하며 여기에 '빛'이 아주 좋은 도구라는 것을 소개드렸습니다. 1-3편에서는 섞는 대신 이미 충분히 섞여 있는 상태에서 '평형'을 깨드려서 반응 속도를 측정한 아이겐의 업적에 대해 설명드렸습니다. 1-4편에서는 빠른 변화를 어떻게 '측정'할 것인지 설명하기 위해 아주 살짝 양자역학에 대해 소개를 해드렸습니다. 1-5편에서는 반응 시작과 변화의 측정 모두 '빛'으로 한 두 과학자의 업적을 소개해 드렸습니다. 그렇게 1회차를 끝내고 나서 핵심은 '빠른 찰나의 빛'을 만드는 것이고 이를 위해 '레이저'에 대해 이해할 필요가 있다고 말씀 드렸습니다. 그 첫 단추로 레이저의 시동거는 역할을 했던 1966년 노벨 물리학상을 2편에서 다뤘습니다. 그런데... 꽤 많은 분들이 어려워 하셔서 이에 대하 반성하고 보충하는 글을 올리려고 합니다. 저는 <양자 호텔>이라는 비유를 이용해서 원자에서 전자 전이를 설명하고 있었습니다. 이 호텔은 한 사람의 작품은 절대 아니지만 그래도 가장 결정적인 역할을 한 사람을 꼽으라면 바로, <노벨상 공식 홈페이지> 바로 닐슨 보어입니다. 보어는 1922년 "원자의 구조와 그로부터 방출되는 복사선(방사선)을 연구한 공로"로 노벨 물리학상을 수상했습니다. 시간에 따라 변화를 보는 것이 아니라 물질의 빛 흡수와 방출은 꽤 오래전부터 연구하던 분야였습니다. 저번에 말씀드린대로 물질에 특성을 통해서 이것이 어떤 물질인지 아는 것은 화학에서 매우 중요한 작업이었고 그 중 하나가 빛의 흡수와 방출입니다. 키르히호프(Kirchhoff)와 분젠(Bunsen)이 1860년 분광 분석법을 도입한 이래, 이 지극히 중요한 연구 도구는 훌륭한 결과들을 낳았습니다. 초기에는 지상의 물체뿐만 아니라 천체로부터 물질을 수집하고 그 스펙트럼을 조사했습니다. 이는 실로 놀라운 수확이었습니다. - Nobel Prize in physics 1922 Award ceremony speech 과학자들은 분명히 그런 빛의 '흡수' 그리고 '방출'에 규칙이 있을 것이라고 생각했고 자연을 이해하는데 핵심 원리가 있을 것이라 생각했습니다. 그래서 가장 단순한 '수소 원자'에 대해 규칙을 찾고 이해하려고 시도했으며 이를 설명할 수 있는 '원자 모델'을 만들려고 오랜 시간에 걸쳐 노력했습니다. 만약 원자의 구조에 대한 아이디어를 얻을 수 있다면, 이는 당연히 수소 원자가 방출할 수 있는 빛의 진동에 대한 개념을 정립하는 좋은 출발점이 될 것이었습니다. 원자로부터 그 비밀을 놀라운 정도로 밝혀낸 러더퍼드(Rutherford)는 그러한 "원자 모형"을 구축했습니다. 그의 구상에 따르면, 수소 원자는 극히 작은 크기의 단위 전하를 띤 양전하 핵(nucleus)과, 그 주위를 궤도를 그리며 도는 음전하를 띤 전자로 구성되어야 했습니다.- Nobel Prize in physics 1922 Award ceremony speech 참고로 러더퍼드 역시 1908년 노벨 다른 업적으로 화학상을 받은 인물인데, 노벨상 업적만큼 유명한 실험은 알파입자 산란 실험입니다. 당시에는 원자가 어떻게 구성되어 있는지 정확히 알지 못할 때였습니다. 지배적인 이론은 '푸딩 원자 모형'인데 원자의 + 전하가 고르게 퍼져 있고 - 전하를 갖는 전자가 박혀있는 모습입니다. <by Gemini> 러더퍼드는 얇은 금 호일에다가 알파입자(헬륨 원자핵)을 충돌시켰습니다. 실제로 저렇게 생겼다면 전기력 때문에 약간 휘어질 것이라 예측하였으나 실제로는 대부분 그대로 통과했고 일부는 크게 휘어지거나 오히려 뒤쪽으로 튕겨나가기도 했습니다. <wikipedia> 당시 러더퍼드는, 15인치 포탄을 휴지 조각에 쏘았는데, 그것이 되튕겨 나와 당신을 맞춘 것만큼이나 믿기 어려운 일이었다. 라고 말할 정도였습니다. 이 실험 결과를 해석하기 위해서 원자는 내부가 대부분 비어 있고 중심에 양전하와 질량이 집중되어 있다고 제안했고 전자는 그 주위를 도는 행성 모형을 제안했습니다. 다만, 그게 고전 전자기학으로는 설명하기 어려운 부분이 있어서 잘 받아들여지 않았습니다. 핵과 전자 사이에는 아마도 전기력만이 작용하고, 이 전기력은 두 질량 사이의 중력과 같은 법칙을 따르므로, 전자의 경로는 타원형이거나 원형이어야 하며, 핵은 타원의 초점 중 하나 혹은 원의 중심에 위치해야 합니다. 핵은 태양에, 전자는 행성에 비유될 수 있을 것입니다. 그러나 맥스웰(Maxwell)의 고전 이론에 ...

저는 <찰나의 빛으로 영상을 찍는 과학 이야기> 시리즈를 연재하고 있습니다. 프롤로그의 시작은 놀랍게도 눈에서 일어나는 여러 화학반응 중 가장 빠른 반응은 약 200 펨토초만에 일어납니다. 이 한 문장이었습니다. 화학과 화학반응에 대한 기본적인 이야기를 1-1편에서 다루었고, 화학반응 속도 측정에 빛이 필요한 이유에 대해서 1-2편에서 다루었습니다. 그리고 빛을 이용해서 매우 빠른 화학반응을 측정한 공로를 다룬 두 그룹의 노벨상을 1-3, 1-4 그리고 1-5편 총 세 편에 걸쳐 이야기를 이어 왔습니다. 빠른 화학반응을 측정하려면, 반응의 시작버튼을 측정하고자 하는 화학반응의 속도보다 더 빠르게 눌러야 합니다. 그리고 그 변화를 빠르게 측정할 수 있어야 합니다. 이 조건을 만족하는 최고의 도구는 바로 '빛'입니다. 1967년 노벨 화학상을 받은 세 과학자는 적극적으로 '빛'을 이용해 빠른 화학반응을 측정했습니다. 이제 더 빠른 화학반응을 측정하기 위해서 필요한 것들은 (1) 더 짧은 순간의 빛을 만드는 것 그리고 (2) 그 짧은 순간의 변화를 관찰하는 것입니다. 아주 짧은 순간의 빛을 만들기 위해서는 '레이저'라는 것을 소개해 드려야 합니다. 실제로 오늘 다룰 1966년 노벨 물리학상보다 더 먼저 레이저의 개발로 1964년 노벨 물리학상(양자 전자공학 분야에서의 기초 연구로서, 메이저-레이저 원리에 기반한 발진기와 증폭기의 구축으로 이어진 업적)이 수여됐습니다. 그런데 왜 2년 후의 1966년 노벨 물리학상을 다루냐 하면 이 공로가 일종의 레이저의 '시동을 거는 역할'을 했기 때문입니다. 1966년 노벨 물리학상은 알프레드 카슬러(Alfred Kastler)에게 "원자에서의 헤르츠 공명(Hertzian resonances)을 연구하기 위한 광학적 방법을 발견하고 발전시킨 공로"로 단독 수여됐습니다. 실제로 오늘 다룰 내용은 공로 중 일부인 '광학적 방법'에 대해 다룰 것입니다. 광펌핑에 대한 카슬러의 아이디어는 레이저 개발에 중요한 역할을 했습니다. - Nobel Prize in physics 1966 Award ceremony speech 오늘은 레이저에 시동을 거는 방법, '광펌핑(optical pumping)'에 대해서 간략히 다뤄보도록 하겠습니다. 사실, 이 순간을 위해서 1-4편에서 양자역학을 아주 간략하게 다뤘었습니다. 다시 복습해보도록 하죠! 우리가 받아들여야 하는 것은 딱 두 가지입니다. 연속적이지 않다 = 양자화 되어 있다. 물질의 내부 에너지는 연속적이지 않다 = 양자화 되어 있다. 빛은 입자의 성질을 가질 수 있으므로 흡수와 방출의 단위가 연속적이지 않다 = 양자화되어 있다. 저는 비유적으로 설명하기 위해서 양자 프랜차이즈 호텔이라는 개념을 도입했습니다. 손님(전자)이 로비에 있는데, 방으로 가기 위해서는 빛으로 된 카드키를 엘리베이터에 꽃아야 합니다. 정확한 방의 높이(에너지)와 일치하는 빛의 색깔(=파장)의 카드키가 없으면 엘리베이터는 작동하지 않습니다. <인포그래픽 by Gemini> 참고로 다시 잠깐 복습하자면, 빛의 색깔은 '파장'으로 나타낼 수 있습니다. 빛의 속도는 (거의) 일정한데 빛의 진동수는 파장의 역수에 비례합니다. 제 시리즈에서 수학적 공식은 최소화 하고 싶지만... 한 번은 수식으로 쓰는 것이 더 이해에 ...

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 ...

어떻게 빛으로 물질의 농도를 측정할까요?! 그건 다음 편에서 다룰 노리시와 조지 포터의 업적과 매우 큰 관련이 있기 때문에 궁금하시더라도 조금만 참아주시길 바랍니다. - 1-3편 라고 써놓고 열심히 1-4편을 쓰다 보니 분량 조절에 실패했습니다. <대략 저의 멘붕 상황 by Gemini> 저는 만프레드 아이겐이 빛을 이용해서 물질의 농도 변화량을 관측하는 것, 그리고 노리시와 조지 포터가 빛을 이용해서 반응을 시작하고 물질의 농도 변화량을 관측하는 것에 대해 말씀드리기 위해 어쩔 수 없이 '빛'에 대해서 이야기를 조금 해야 될 것 같습니다. <찰나의 빛으로 영상을 찍는 과학 이야기> 가 시리즈 제목이니 피하고 싶었지만 피할 수 없는 것 같습니다. 왜 피하고 싶냐고 물으시면, 양자역학 얘기를 안 할 수 없기 때문입니다... 그래도 시리즈 언젠가 다룰 내용이었고 지금 다루어 두면 나중에 연재하기에 편해질 것 같아서 아주 간단히 다뤄보도록 하겠습니다! 그 전에 빛에 대해 아주 짧은 내용을 알려드리려고 합니다. 속도는 m/s 즉, 단위 시간에 이동한 거리입니다. 빛의 색깔은 보통 '파장' 으로 표현하는데, 파장 한 파형의 길이입니다. 속도는 이동한 거리(파장)를 시간(주기)으로 나눈 값입니다. 빛은(진공에서) 속도가 일정하므로, 파장이 달라지면 주파수도 함께 달라집니다. 그래서 파장이 달라지면, 일정한 속도로 가는 빛은 같은 시간에 빠르게 진동해야 하므로 주기가 짧아져야 합니다. 키 큰 사람과 키 작은 사람이 같은 속도로 달리려면 키 작은 사람이 빠르게 발을 움직여야 되는 것과 비슷하다고 생각하시면 됩니다. 1초에 빛이 진동하는 횟수를 '주파수' 혹은 '진동수'라고 합니다. 그래서 이 빛의 진동수를 파장과 곱하면 빛의 속도가 구해집니다. 이건 '빛'에 대해서 적용되는 것이 아니라 '파동'에 공통적으로 적용되는 것입니다. <인포그래픽 by Gemini> 이 내용을 염두에 두시고 이제 양자역학에 아주 살짝 혀만 가져다 대보겠습니다! 1-2편에서 물질 내부 에너지는 '연속적이지 않고 불연속'적이며 이를 '양자화'되어 있다고 말씀드렸습니다. 그럼 그 불연속적인 에너지, 양자화의 시작은 어딜까요? <노벨상 공식 홈페이지> 막스 플랑크는 1918년 노벨 물리학상을 "에너지 양자(energy quanta)의 발견을 통해 물리학 발전에 기여한 공로"를 인정받아 수상했습니다. 플랑크의 업적에 대해 자세히 설명하면 너무 길어지므로 핵심적으로 그가 제안한 아이디어를 살펴보겠습니다. 철을 아주 뜨겁게 달구면 붉게 빛나다가, 더 뜨거워지면 하얗게 변하는 것을 보신 적 있나요? 옛날부터 사람들은 이 빛의 '색깔'이 '온도'와 관련이 있다는 것을 알았습니다. 이 뜨거운 물체에서 나오는 '빛'을 분석하려는 시도가 바로 양자역학의 출발점이었습니다. <이해를 돕기 위한 사진 by Gemini> 플랑크는 자신의 실험 결과를 설명하기 위해서 모든 빛을 흡수하는 물체(흑체)에 열을 가했을 때 나오는 빛 에너지가 '양자화'되어 있다는 개념을 도입합니다. 그는 실험에서 관측되는 빛 에너지가 빛의 진동수(색깔)와 특정 상수(플랑크 상수)의 곱의 정수배로 표현된다고 설명했습니다. 즉, 물질과 빛이 에너지를 교환할 때 진동수에 비례하는 어떤 ...

프롤로그에서 저는 놀랍게도 눈에서 일어나는 여러 화학반응 중 가장 빠른 반응은 약 200 펨토초만에 일어납니다. 라는 문장을 제시했습니다. 이 이야기를 풀기 위해서 제가 처음 선택한 것은 1967년 노벨 화학상입니다. 매우 짧은 에너지 펄스를 가해 평형을 순간적으로 교란하고, 그 결과 나타나는 초고속 화학 반응을 연구한 공로 를 설명하기 위해 1-1편에는 화학, 화학반응, 반응의 속도와 평형에 대해 간단히 설명했습니다. 반응에 '충돌'이 필요하다는 것을 1-2편에서 설명드렸고, 그럼 이제 저 수상 공로가 훨씬 친근하게 다가옵니다. 문제는 반응속도가 빠를 경우 어떻게 '시작' 버튼을 정확하게 원하는 시점에 누를 방법이 없다는 점입니다. 게다가 그 과정을 실시간으로 모니터링하여 반응속도를 '측정'하는 일 역시 쉽지 않습니다. 수상자 중 만프레트 아이겐의 인터뷰에서도 살펴볼 수 있습니다. (전략) 오이켄(Eucken)의 교과서에 "측정 불가능할 정도로 빠른 반응"이라는 내용이 있었습니다. 그는 두 물질을 섞으려면 관 흐름(tubular flow)을 만들어야 하고 압력을 가해서 진행한다고 해도 대략 1밀리초(1000분의 1초) 정도가 걸린다고 생각했습니다. 그러니 방법이 없다는 것이었죠. 섞는 과정(mixing process) 자체가 그만큼의 시간이 걸리는데, 반응이 그보다 더 빠르면 그걸 관측할 수가 없으니까요. 저도 어떻게 해야 할지는 몰랐지만, 젊을 때는 남들이 하는 말을 곧이곧대로 믿지 않잖아요. 저는 "측정 불가능할 정도로 빠른 건 없다"라고 말하고 다녔고, 고민은 했지만 해결책을 찾지는 못하고 있었습니다. - 인터뷰 과거에 가장 빠른 반응으로 여겨지던 것 중 하나는 산(H⁺)과 염기(OH⁻)가 만나는 중화반응입니다. 이전에 설명했듯이 두 분자가 만나서 하나가 되는 반응의 경우 충돌이 필수적입니다. 두 물질이 멀리 떨어져 있는데 갑자기 '뿅' 하고 어딘가에 합쳐져서 만들어지지는 않습니다. 그럼 자연스럽게 이 반응은 물질이 '충돌'하는 속도보다는 '더' 빠를 수 없다는 결론에 이릅니다. 문제는 이론적으로 액체에서 계산된 충돌 속도가 너무 빠른 것입니다. 우리는 반응을 일으키고 관찰해야 하는데 시작버튼을 누르는 순간에 반응이 시작되는 것이 아니라, 시작버튼을 누를 준비하기 위해 두 물질을 섞는 도중에 반응이 시작되어 끝나버립니다. 만프레트 아이겐은 이 문제를 이렇게 접근했습니다. 하트리지와 로우턴(Hartridge and Roughton)이 그랬던 것처럼 장애물을 극복하려고 시도하거나, 아니면 이를 우회할 수 있습니다. 이 경우, 두 번째 방법인 장애물을 우회하는 것이 우리의 목표를 더 빠르게 달성하게 해주었습니다. - 만트레트 아이겐 Nobel Lecture 즉, 반응보다 더 빠르게 두 물질을 섞는 게 불가능하다면 일단 섞어놓고 보는 겁니다. 당연히, 반응속도가 빠르기에 반응은 섞이면서 동시에 끝나겠지만, 반응이 '끝났다'고 해서 분자 수준에서 반응이 완전히 멈춘 것은 아닙니다. 이전에 설명 드렸듯이 화학반응은 시간이 지나면 '평형'에 도달합니다. 그래서 우리가 관측하려는 반응과 그 반대 방향의 반응의 속도가 같아서 겉으로 아무 일도 일어나지 않는 것처럼 보일 뿐입니다. 우리는 화학 반응이 결코 완전히 '끝나는(completed)' 것이 아니며, 다양한 반응물 사이에 항상 평형(equilibrium)이 성립된다는 사실을 알고 있습니다. 이러한 화학적 평형은 정적(static)이지 않습니다. 즉, 개별적인 변화가 ...