물과 빛 우리주변에 있는 에너지에 관해

빛

 

에너지원은 어디에서부터 오고 있는 걸까?.

배타 구역을 형성하는 데 필요한 숨은 '표면 에너지'는 물질의 계면에 있을 것이다. 그렇지만 표면 에너지는 적합하지 않은 것 같다. 표면에서 나온 에너지는 표면 근처에 배타 구역을 만들 수 있겠지만 배타 구역의 층은 수십만 개에서 100만 개에 이르기도 한다. 배타 구역을 충전상태로 유지하는 에너지는 어떤 것일까?. 

표면의 어떤 속성이 이런 먼 거리까지 힘을 미치게 하는 것일까요?.

 

에너지원의 시작

실험실은 노동자들의 작업장과 같은 곳이다. 실험실에 근무하는 그에게 어느 날 밤에 이런 일들이 일어났다.

그는 용기를 현미경 재물대 놓은 채 현미경 광원을 끌고 서둘러 집으로 가버렸다.

다음 날 아침 그가 실험실로 돌아와 가시 현미경을 켜고 들여다봤을 때 배타 구역의 크기는 원래의 반으로 줄어들어 있었다. 그러나 1~2분이 채 지나지도 않았는데도 배타 구역의 크기가 원래대로 돌아와 버린 것이다.

현미경 광원이 배타 구역을 소생시킨 것이다. 빛과 같은 무언가가 필요한 것이다.

그들은 실험을 여러 가지 실험을 더 해보았고, 배타 구역을 유지하는 것이 빛이라는 결론을 내렸다.

 

'빛'을 좀 더 명확히 하자. 빛은 전자기파 스펙트럼의 가시광선 영역뿐 아니라 자외선 혹은 적외선 영역도 포함한다.

에너지를 공급하는 것은 전자기 에너지 복사이다. 물은 이것을 흡수하고 배타 구역을 만드는 데뿐만 아니라 분리된 하전을 유지할 때도 이 에너지를 사용한다.

 

빛의 연료

빛의 이런 신비한 효과를 설명하기 위해 그들은 몇 가지 간접적인 요소를 걸러냈다. 빛에 의해 주변의 온도가 올라간 것이 그런 것이다. 배타 구역과 연결하여 몇 가지 실험을 해보았고 및 의 효과는 열과 무관한 것임을 알게 되었으며, 광자가 어떤 식으로든 배타 구역의 장에 에너지를 제공하는 것을 알았다.

 

일반적인 광학현미경의 광원의 자외선, 적외선 및 가시광선에 걸쳐 매우 폭넓은 파장대를 갖는다. 어떤 특정의 파장대의 전자기파가 더 효과적인지 궁금했고 이 궁금증에 대한 답을 찾기 위해 실험 용기에 각각 다른 파장대의 빛을 쬐어주었다.

광원으로 발광 다이오드 light emitting diode, LED를 사용했다.

발광 다이오드는 각각 가시광선, 자외선 및 적외선의 특이 파장을 갖는다. 이런 발광 다이오드를 한 번씩 써서 물 안에 네 피움이 들어 있는 실험 용기에 빛을 쬐어주었다. 물 안에는 미소 구체도 들어 있었다.

 

이런 실험 장치하에서는 어떤 파장의 빛이 배타 구역을 확장 시킬 수 있는지 알아보았다.

결과는 파장대가 중요한 역할을 한다는 것을 보여주었다. 유입되는 및 은 상당이 약해서 노출이 끝날 때까지도 용기의 온도가 섭씨 1도 이상 오르는 법이 없었다. 수직 축은 배타 구역의 팽창 정도이다.

값이 2라면 배타 구역의 크기가 2배 늘어난 것이다.

 

그러나 이 파장은 다른 것보다 효과적임을 알 수 있었다. 자외선은 효과적이지는 않았지만 확장했다.

무엇보다 3,000나노미터 영역의 적외선이 가장 효과적이라는 점은 놀란 부분이었다.

후에 물이 3,000나노미터의 파장을 가장 강하게 흡수한다는 사실을 알게 되었다.

가장 강한 흡수 피크가 배타 구역의 크기를 가장 효과적으로 팽창시킬 수 있다는 의미이다.

 

또한 강한 빛을 오래 쪼일수록 배타 구역이 더 확장된다는 점도 알게 되었고, 동일한 강도의 빛을 더 오래 쬐어주면 배타 구역의 크기를 5-10배까지 확장할 수 있음도 알 수 있었다.

전원을 꺼버리면 10분이 지나지 않아 배타 구역은 원래의 크기로 돌아왔다.

적외선 실험에 썼던 광원은 매우 약한 것이었다. 가시광선이나 자외선에 비해 강도가 낮았다.

 

유입되는 빛의 파장이 배타 구역 성장에 미치는 실험 결과를 하나 더 보면 적외선 파장대의 빛이 배타 구역 형성에 매우 주도적인 역할을 하는 것은 확실해 보였다. 자외선은 거의 효과가 없는 것으로 드러났다.

가시광선 영역은 그 중간 정도의 역할을 하는 것으로 판단되었고, 배타 구역을 형성하는 데 적외선 파장의 빛이 가장 효과적이었다.

 

짐이 우발적으로 실험은 했는데, 재미있는 결과가 나온 건 적외선 때문일 것이다.

그가 집으로 가면서 전원을 껐고 용기에 들어오는 적외선도 줄었을 것이다. 이 실험의 결과로 보다 체계적인 적외선 감소 효과에 대해 알아보았다. 배타 구역이 최대의 크기로 형성된 용기 안에 격리용 판막을 집어넣었다. 적외선의 유입을 차단하여 보온병이 음료수를 차게 유지하는 것과 마찬가지로 적외선을 효과적으로 차단하는 이중 판막을 집어넣은 것이다.

 

약 15분 후 배타 구역은 원래 크기의 반으로 줄어들었다. 판막을 제거하면 배타 구역은 몇 분 안에 원래의 크기로 돌아왔다. 따라서 적외선은 배타 구역을 키우기도 하지만 그 빛의 유입이 차단되면 배타 구역은 크기가 줄어든다.

적외선이 배타 구역의 형성에 매우 효과적이기 때문에 주변에 적외선이 존재한다면 배타 구역이 만들어지기에는 충분한 조건이 된다.

 

구부러지면서 튀어 나가 사라지는 가시광선과 달리 적외선은 막아내기도 까다롭다. 적외선 카메라는 굴러가는 탱크 혹은 완전한 어둠 속에서 움직이는 군중들도 문제없이 잡아낸다.

 

우리가 지내는 방에서도 적외선이 검출된다. 집의 외벽은 태양에서 오는 복사선을 흡수하고 이를 다른 파장의 빛으로 바꾸어 전구가 켜져 있건 아니건 많은 양의 적외선을 내벽을 통해 방출한다. 

 

다음에는 배타 구역에 대해 더 깊이 들어가 빛에서 오는 에너지와 물 분자에 대해 더 알아보자.

 

 

전문 지식을 참고하여 작성하였습니다.