빛의 물리학 4부 - 빛과 원자  

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세상은 무엇으로 이뤄졌을까?

이것은 아주 오래된 질문입니다.

그리스부터 시작해 오늘 날까지도 답이 안 나온 문제죠.

세상은 무엇으로 이루어졌는가?

둘레 27km 대형 강입자충돌기가 숨겨져 있죠. 

이것은 원자 이하의 세계를 관찰하는 일종의 현미경입니다.

역설적이게도 가장 큰 것이 가장 작은 것을 연구하고 있죠.

내부 터널은 스위스와 프랑스 국경에 걸쳐있을 정도로 거대합니다.

우주 최초의 물질,

이 세상을 만든 가장 최소의 물질

가장 작은 것이 무엇인가? 알아 보려는 거죠.

유럽 합동 핵원자 기구 썬(CERN)

유럽 입자 물리학 연구소(-粒子物理學硏究所, 

프랑스어: Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire, CERN)은 

스위스 제네바와 프랑스 사이의 국경지대에 위치한 

세계 최대의 입자 물리학 연구소이다. 

원래 명칭은 유럽 원자핵 공동 연구소

(Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire)였고, 

이를 따라서 CERN(IPA 발음: 프랑스어 [sɛʀn], 영어 [sɝn])으로 불린다.

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이 세상을 만든 최초의 물질.

이것을 알고자 세계 실험물리학자 절반이 넘는 숫자가 이곳에 일을 합니다

20개 회원국이 비용을 부담합니다. 한 해 예산만 1조 2,000억 원.

이 세상을 만든 가장 최소의 물질

가장 작은 것이 무엇인가? 알아 보려는 거죠.

사람들은 원자의 안이 궁금해 집니다. 

1803년 돌턴은 원자설을 폅니다.

모든 물질은 더는 쪼개질 수 없는 작은 입자 원자로 되어있다.

뢴트겐은 금속이 원자에 부딪힐 때 나오는 짧은 파장이 

손을 투시할 수 있다는 것을 발견합니다.

퀴리 부인은 원자 안에서 엄청난 에너지가 계속 나오는 것을 발견합니다.

이 안을 본 사람, 아니 정확히 말하면 추측한 사람이라고 해야겠네요.

그가 추측한 원자 안의 모습은 바로 이런 모습이었습니다.

이 빵 안에 건포도가 박혀있는 모양, 이 모양을 추측할 수 있었던 것은 

그가 건포도를 발견한 사람이기 때문입니다.

진공관에 특정 기체를 넣고, 음극과 양극에 강한 전압을 걸어주면?

황록색 광선이 나오는데? 이걸 음극선이라 합니다.

이 광선을 맞은 바람개비는 돌아갔습니다.

그건 질량이 있는 입자란 얘기였습니다.

또 자기장을 걸어주면 특정 방향으로 움직였습니다.

톰슨이 이 입장의 존재를 밝혀냈죠.

당시 사람들은 전기가 흐르는 것은 알아도 

무엇이 흘러서 전기적인 현상을 일으키는지는 몰랐습니다.

바로 이 전자였습니다. 전자는 원자 안에 건포도처럼 박혀 있다고 생각합니다.

원자는 중성입니다. 그러니 양성자가 있어야 합니다.

어디에 있을까요?

이것이 톰슨이 생각한 원자모델입니다.

어니스트 러더퍼드 (1871~1937)

알파입자가 얇은 금박지를 통과하는 실험을 합니다.

얇은 금박지는 원자 400개가 들어있습니다.

알파 입자는 전자보다 7,500배 무거운 물질입니다.

금박지에 쏘면 그대로 뚫고 나가죠.

러더퍼드는 조교들에게 이 실험을 맡겼습니다.

혹시라도 금박지를 통과하지 못하고 

조금이라도 휘어지는 물질이 있는지 보라고 했습니다.

말이 쉽지 이 실험은 말 그대로 백사장에서 바늘 찾는 일 입니다.

영상 속에는 60층 건물을 예로 들어서 설명합니다.

이해도를 높이실 수 있습니다.

저는 건너 뛰겠습니다. ㅡㅡ

깨알같은 점들이 있습니다. 톰슨이 발견한 전자입니다.

전자를 맟춰보면 통과합니다.

2년이 다 되어갈 때 튕겨져 나온 알파 입자를 발견합니다.

1/8000 확률입니다.

이것은 총알도 뚫지 못하는 단단한 물체가 있다.

원자가 있습니다.

이 안에 이게 뭘까? 러더퍼드는 양의 성질을 가진 입자 원자핵이라 생각하죠.

그렇다면? 전자는 어떻게 있을까?

원자핵 주변을 돌고 있습니다.

태양이 지구를 붙잡아 두는 힘이 원자핵과 전자 사이에도 존재한다.

그러려면? 지구가 도는 것처럼 전자도 돌아야 했습니다.

러더퍼드의 원자 모형은 태양계와 닮았습니다.

가장 작은 세계가 가장 큰 세계를 닮았다는 것은 생각만 해도 근사한 일이었습니다.

23:40

막스 플랑크 

그가 흑체를 가지고 연구하던 중 이상한 것을 발견합니다.

흑체는 반사하는 빛이 전혀없는 이상적인 물체입니다.

작은 구멍으로 빛이 들어가면 다시 그 구멍으로 나오기 어려운 물체입니다.

이 오븐이 주변과 완전히 차단되었다고 가정한다면?

이 오븐은 흑체와 비슷합니다.

온도를 맞춰놓으면 오븐 안쪽이 달궈지면서 복사파가 생기죠.

그런데 이상한 일이 있습니다.

오븐의 뜨거운 내벽에서 발생된 전자기파는 반듯이 정수배의 마루나 골을 가져야 합니다.

파장은 하나의 마루에서 다음 마루까지의 거리

진폭은 마루나 골의 깊이

마루나 골의 갯수가 작으면? 파장이 길고,

많은 수록 파장이 짧습니다.

각 파동들은 모두 동일한 양의 에너지를 실어 나르고 있습니다.

그런데 이 오븐은 태양처럼 가시광선, 자외선, 적외선, 마이크로파 등 

모든 파장의 복사파를 냅니다.

오븐에서 나오는 개개의 파동들은 똑같은 양의 에너지를 싫어 나른다고 했습니다.

그럼? 아무리 적은 양의 에너지를 실어 나른다고 해도

이들은 모두 합하면? 어떻게 될까요?

이 오븐은 뜨껍게 달궈지다가 펑! 터져버릴 겁니다.

그런데? 그런 일은 일어나지 않습니다.

바로 이것이 문제였습니다.

왜? 에너지는 무한대로 커지지 않을까요?

오븐을 이 창고로 생각해 볼까요?

창고 안에 무수히 많은 사람들이 갇혀있습니다.

이미지는 내용 먼저 넣고 다시 처리하겠습니다!  

황녹색 광선 음극선 바람개비가 돌아갔다.

질량이 있다. 특정 방향도 있다.

원자가 있습니다.

이 안에 무엇이 있을까?

원자가 있습니다. 

그 안에는 원자핵이 있으며

그보다 1/10만분의 보다 작은 전자가 돌고 있습니다.

나머지는 뭘까요? 

진공입니다.