질문과 토론의 과학, KAOS 질의응답

(질문)

· 전자는 업스핀과 다운스핀의 두 형태로 양자화 할 수 있다고 말씀하셨는데, 이때 공간상에서 위와 아래가 무슨 의미가 있나요? 그 기준이 되는 축은 존재하나요?

 

 

(답변) 답을 위해서는 양자역학의 측정이라는 개념을 다시 생각해 보겠습니다. 물질파가 측정 전후에 상태가 바뀐다고 말했습니다. 여기서도 마찬가지입니다. 당연히 전자는 Z축이 어디인지 모릅니다. Z축이 결정되는 것은, 측정하기 전에는 Z축이 어딘지 모르고 있다가, 스핀의 크기를 측정하는 장치가 있다고 합시다. 이때 50%의 확률로 업스핀이 되고, 50%의 확률로 다운스핀이 됩니다. 이럴 때 Z축의 방향은 무엇에 의해 결정되는가. 실험기구에 의해서 결정됩니다. 실험기구의 방향성에 의해 결정이 됩니다. 이것을 약간 더 발전시키면, 이런 실험이 됩니다. 이 실험장치는 스핀의 상태를 측정하는 장치 중의 하나입니다. 여기 전자빔이 있고, 업스핀일 수도, 다운스핀일 수도 있습니다. 전자의 스핀은 작은 자석입니다. 자석이 큰 자석을 통해서 가면 자석의 방향이 위를 가리키느냐, 아래를 가리키느냐에 따라서 위로 휘기도, 아래로 위기도 합니다. 그래서 위로 휘면 업스핀, 아래로 휘면 다운스핀이라는 것을 실험적으로 측정할 수 있습니다. 여기서 Z축은 N극과 S극에 해당하는 방향이 Z축이 됩니다. 여기서 한 발짝 더 나가, 측정 자체가 파동함수를 변화시킨다고 했습니다. 그게 실제로 실험가능한지 봅시다. 측정 장치 뒤에 50%의 확률로 업스핀과 다운스핀이 나오는 방향 각각에 다시 측정장치를 놓으면, 이 각각의 측정장치로는 100%의 확률로 업스핀과 다운스핀을 측정할 수 있습니다. 하지만 이때 뒤의 측정장치를 Z축이 아니라 X축에 맞추면, 측정한 후의 전자의 상태는 업스핀, 다운스핀으로 나뉘지만 그 기준은 X축으로 됩니다. 이런 사고 실험을 통해 전자의 스핀이 Z방향이라는 것이 실험의 측정으로부터 결정된다는 것을 말씀 드렸습니다. 측정을 함에 따라서 없었던 스핀 성분도 나온다는 것을 짐작할 수 있을 겁니다. 

 

(질문)

· 주기율표의 원리를 짧게 설명해주신다면?

 

 

(답변) 물질은 1족의 경우에는 두 번, 원자번호가 증가하면 1,2에서 바뀌고, 2족과 3족의 경우에는 8을 기준으로 바뀝니다. 8이라는 숫자가 무엇인지 얘기하면, 전에 공간의 양자화에 대해 말한 적 있습니다. 주 양자수가 같더라도 전자가 도는 방향이 다르면 상태가 다르다고 했습니다. 그리고 전자가 들어올 수 있는 상태가 아주 자유롭지 않고 정해진 각도가 있다고 했습니다. 그랬을 때, 2족, 3족에서 전자가 가질 수 있는 회전의 방향을 표시하면 4가지가 나옵니다. 파울리의 배타원리에서 말한 것처럼 각각의 상태에서 전자의 스핀이 업일 수도, 다운일 수도 있습니다. 그래서 각각의 전자가 가질 수 있는 궤도가 4개, 거기에 스핀이 두 종류가 있으니 모두 8가지가 나옵니다. 물질의 주기율에 해당합니다. 

 

(질문)

· 조그만 분자의 구조를 알아내는 실험은 어떻게 하나요? 전자현미경으로 직접 보고 영상을 찍을 수는 없나요? 

 

(답변) 이 답은 맞기도 하고 틀리기도 합니다. 현재 분자를 광학현미경으로 측정할 수 있는 방법은 없습니다. 단, 분자를 얼려놓거나, 분자를 커다란 결정으로 만들어 간접적으로 분자의 구조를 알아낼 수는 있습니다. 아주 최근에는 거의 완벽하게 분자의 구조를 현미경으로 보듯이 영상화할 수 있는 방법도 개발되고 있습니다. 참고로, 마지막 강의에서 분자 측정 모형을 더 자세하게 말씀 드리겠습니다.