안녕하세요 김두환 전문가입니다.
Q. 가을이 되면 나뭇잎이 왜 노랑색이나 붉은 색으로 변하나요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.봄부터 여름까지 엽록소가 만들어지면서 초록 잎을 유지하였지만 가을이 되면서 이 엽록소가 더 이상 만들어지지 않습니다. 이유는 떨켜층에 의해 나뭇잎에 수분이 부족해지고 영양분이 쌓여 산성을 띠게 되면서 엽록소가 분해됩니다. 엽록소가 분해되며 노란, 주황, 빨강, 핑크 등으로 색이 바뀌어 단풍이 지는 것이죠. 엽록소가 분해되는 이유는 겨울 동안 나무는 에너지 소모를 최소화하고 나무 내에 있는 수분을 최소화(수분이 얼면 부피가 증가해 손상을 입기때문에)하는 작업을 시작합니다. 그 중 에너지 소모를 줄이기 위해 잎과 나뭇가지 사이에 떨켜층을 형성하여 나뭇잎에 수분 공급을 중단시키고 나뭇잎으로부터 에너지(양분) 공급을 중단 받아 나뭇잎의 농도가 올라 산화되면서 엽록소가 분해돼 단풍이 들게하며 이후에 낙엽이 되어 떨어지게 만듭니다. 또한 색이 다른 이유는 색소의 종류와 함유량이 다르기 때문입니다. 붉은색은 엽록소가 분해되며 안토시아닌을 생성하며 띠게되고, 노란색은 크산토필, 카로티노이드가 생성되면서, 갈색은 크산토필, 타닌이 생성되면서 띠게 됩니다.
Q. 우주공간이 까맣게 보이는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.우주에는 공기가 없어 빛이 산란하지 않고 공간상에서 직선으로 뻗어나갑니다. 우주가 밝게 보이려면 빛의 산란이 일어나 우리 눈으로 들어와야 밝게 보이는데, 우주에는 공기가 없기 때문에 까맣게 보이는 것이죠. 하늘에 별은 무수히 많은데 밤하늘에 별이 가득 차지 않고 깜깜한 이유는 우주에는 공기가 없고 도플러 효과(적색 편이)가 일어나기 때문입니다. 지구의 하늘이 파란 이유는 대기중에 공기가 있어 빛이 산란하여 우리눈에 보이기 때문에 파랗게 보입니다. 하지만 우주에는 공기가 없어 산란하지 못하고 빛이 직진해 나가기 때문에 우주가 컴컴해 보이죠. 또한, 우주는 팽창하고 있습니다. 팽창하는 우주에 있는 별에서 나온 빛이 점점 더 빠른 속력으로 지구와 멀어지며 후퇴하기 때문에 도플러효과인 적색편이가 일어나게 됩니다. 그래서 가시광선의 빛이 적외선 영역대를 넘어가게 되면서(적색편이) 우리의 육안으로 볼 수 없는 것이죠. 그래서 밤하늘이 캄캄한 이유가 되겠습니다.
Q. 지구로부터 몇 키로미터 이상이 우주인가요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.국제 항공 연맹(FAI) 및 국제 사회에서는 우주의 경계를 고도 100km로 약속하고 있습니다. 그리고 이러한 경계를 카르만선이라고 합니다. 하지만 미국 공군과 NASA에서는 80km이상을 우주라고 인정하고있습니다. 사실 지구나 달 태양 주변의 우주에서는 중력이 존재합니다. 지구 주변의 우주에서는 지구의 중력이 있기 때문에 사실 지구로 낙하하게 되죠. 낙하하는 상황은 무중력 상태와 동일합니다. 물론 지구와 굉장히 멀리 떨어져 있게 되면 무중력을 체험할 수 있습니다.
Q. 보석을 참 좋아하는데요 보석에도 원소기호가 있나요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.네, 보석도 원자들로 이루어져 있습니다. 다이아몬드의 경우 단원자 보석으로 탄소로 이루어져 있습니다.다른 보석의 경우 여러 원자들의 결합으로 되어있습니다. 보석 뿐만 아니라 우리 주변의 물질은 모두 원소기호가 적용됩니다.
Q. 밤에 빛을 내는 형광 물질은 어떻게 만들어지는 건가요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.형광물질의 원자내 전자는 가시광선(일반 빛)의 에너지에 의해 들뜬 상태(높은 에너지 상태)가 됩니다. 그리고 곧바로 낮은 에너지 상태가 되며 빛을 방출합니다. 이 때 방출된 빛은 가시광선 영역의 빛이기 때문에 밝게 빛나며 우리눈에 비치는 것이죠. 그리고 조금 더 자세히 설명드리면, 원자내에는 원자핵과 원자핵 주위로 전자가 존재합니다. 전자는 안정적인 위치(바닥 상태)에 존재하게 되는데, 외부에서 에너지를 받으면 이를 흡수하여 불안정한 상태(들뜬 상태)가 되며 높은 에너지를 갖게됩니다. 그리고 전자는 안정적이게 되려하는 성질이 있어 다시 안정적인 상태(바닥 상태)인 에너지가 낮은 상태로 돌아갑니다. 그런데, 곧바로 안정적인 상태가 되는 것이 아닌 들뜬 상태와 바닥 상태 사이에 중간 에너지 상태의 단계를 거쳐 서서히 안정적인 상태로 돌아갑니다. 즉, 높은 에너지에서 낮은 에너지 상태로 단계를 거쳐 바뀌면서 에너지를 내놓게 되는데, 빛(가시광선) 에너지로 방출됩니다. 그래서 불을 꺼도 어느정도 빛을 발하는 것이죠. 그리고 시간이 지나면 바닥상태로 되돌아가 더 이상 빛을 내지 못하게 됩니다. 여기에 사용되는 형광물질은 황화광물, 보석류, 황화아연 등이 있겠습니다.