[Aether 물리] #28 양자역학편 - 정확한 시간 측정

2개월 전

매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.

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정확한 시간 측정

일정하고 정확한 시간은 어떻게 측정할 수 있을까요?

음력이라는 것은 달의 움직임으로 달 모양이 변화하는 것으로 시간을 측정하는 것입니다. 아시다시피 음력은 일정하지 않습니다. 양력의 경우도 지구 자전 속도가 달의 중력때문에 조금씩 느려집니다. 그래서 몇 년마다 1초를 빼거나 더해야 합니다.

그렇다면 어떻게 정확하고 일정하게 시간을 측정할 수 있을까요?

그것은 바로 빛의 진동수를 이용하는 것입니다. 빛의 진동수는 진동일 발생하면 그 값은 변하지 않습니다. 매질이 다른 곳을 통과하더라도 진동수는 그대로 유지가 됩니다. 대신에 v=λf에 의해 매질에 의해 속도가 느려지면, 파장이 변하게 됩니다.

문제는 어떻게 진동수를 정확하게 알 수 있는 빛을 만드는 방법입니다.

19세기 초에 키르히호프와 분젠은 모든 화학 원소가 빛의 방출과 흡수에서 고유한 스펙트럼선 패턴을 나타내는 것을 밝혔습니다. 이러한 스펙트럼선은 새로운 원소를 발견하는데 사용되었고, 이를 분광학이라고 합니다.

원소마다 고유한 진동수의 빛만 방출하고 흡수한다면, 특정 원소의 스펙트럼선을 통해 빛의 진동수를 알 수 있게 됩니다. 수소의 경우를 보면, 가시광선영역에서 656, 486, 434, 410 나노미터 파장 4개만 나타납니다. 다시 말하면, 스펙트럼선을 분석하면 어떤 원소에서 나온 것인지 알 수 있다는 것입니다. 이것으로 먼 우주의 별에서 나오는 스펙트럼선을 분석하면 그 별의 구성 원소도 알 수가 있게 되는 것입니다.

형광등이 빛을 내는 원리

잠시 시간 측정 문제는 뒤로 하고, 원소의 스펙트럼선에 대해서 좀 더 알아보겠습니다.

우리가 흔히 사용했던 형광등에는 수은 원자로 이루어진 기체가 들어 있습니다.

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형광등을 키면, 전류가 흘러 열전자가 수은 원자를 때리게 됩니다. 그러면 수은 원자는 들뜨게 되고, 이 때 자외선을 방출하고 다시 안정한 상태로 돌아갑니다. 이 자외선이 형광등 내부에 발라진 형광물질에 의해 가시광선으로 바뀌게 됩니다. 형광등이라는 이름은 이렇게 형광물질이 발라져 있기 때문입니다. 가시광선은 적색, 녹색, 청색 부분에 해당하는 빛이 발산됩니다. 이 세가지 색깔의 빛이 합쳐져 사람 눈에는 푸르스름한 하얀 빛으로 보이게 되는 것입니다. 이러한 원리를 이용하면 생성되는 빛의 색깔을 조절할 수가 있게 되고, 다양한 조명효과를 낼 수 있게 됩니다.

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반면에 백열전구는 동작 방식이 다릅니다. 전구안의 필라멘트를 가열하여 색을 만들어 내는 것입니다. 이전글에서 살펴봤듯이 빛의 파장은 오직 온도에 의해서만 바뀝니다. 빛의 파장은 색깔을 의미하는 것이고요. 그래서 백열전구로 형광등처럼 다양한 빛 색깔을 내기는 어렵습니다. 그만큼 온도를 변화시켜야 하기 때문입니다. 그리고 백열전구는 적외선이 많이 발생합니다. 그래서 형광등보다 비효율적인 것입니다.

그런데 왜 수은 원자는 자외선을 방출하게 되는 것일까요?
이것은 보어의 원자모형을 가지고 설명을 하게 됩니다. 사실 보어의 원자 모형은 틀렸습니다만, 이 경우는 보어의 모델로 설명을 합니다.

보어의 원자모형은 원자 가운데 원자핵이 있고, 그 주변에 전자들이 특정 레이어(층)을 돌고 있는 모형입니다.
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보어가 주장한 것은 전자들이 특정 레이어에만 존재하고, 전자가 그 레이어들을 이동하면서 빛이 발생한다는 것입니다. 형광등의 경우 위 그림처럼 수은 원자의 특정 레이어에 있는 전자를 외부 열전자가 때려서 특정 파장의 빛, 여기서는 자외선이 방출되는 것입니다.

원자시계

형광등에서 살펴봤듯이 원자마다 흡수하고 방출하는 빛의 파장이 고유합니다. 그것은 원자마다 전자의 레이어, 즉 에너지 레벨이 다르기 때문입니다. 전자가 레이어를 이동할 때 발생하는 빛의 파장은 레이어들의 에너지 차이에 의해서만 결정됩니다. 놀라운 것은 이것이 항상 일정하다는 것입니다. 이를 이용하면 빛의 진동수를 항상 일정하게 알아낼 수 있게 됩니다.

현재 기준 시간을 측정하기 위해 사용되는 원소는 세슘 원자입니다. 세슘에 빛을 쏘면 전자가 특정 레이어로 전이되면서 발생하는 빛의 진동수를 사용하여 1초를 정했습니다. 1초동안 발생하는 빛의 진동수는 9,192,631,770번이며, 30만년에 1초 정도가 틀어지는 매우 훌륭한 정밀도를 가집니다. 최근에는 이 보다 훨씬 정밀한 원자시계도 개발이 되었습니다.

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귝제 협약 표준시는 UTC라고 표시하며, 세계70여 개의 원자시계로 정합니다. 그리고 인터넷을 비롯한 전 세계 통신망에 사용되는 시간은 UTC에 맞추게 됩니다. 따라서 우리가 사용하는 스마트폰도 결국은 세슘 원자에 의한 시간이라고 할 수 있습니다.


참고

양자역학은 다음 책을 참고했습니다.

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