Doctor of Public Health 전상훈입니다
Q. 왜 탄성 재료는 힘을 가했다가 빼면 원래 상태로 돌아올 수 있나요?
안녕하세요. 고무와 같은 탄성 재료가 변형된 후 원래의 상태로 돌아올 수 있는 능력은 그 재료의 분자 구조와 분자 간의 상호작용에 기반합니다. 탄성 재료의 이러한 성질은 고분자 사슬이라는 긴 분자 구조에서 비롯되며, 이 고분자 사슬들이 어떻게 서로 연결되어 있는지에 따라 그 재료의 탄성이 결정됩니다. 탄성 재료 내부의 고분자 체인들은 일반적으로 서로 교차 연결(cross-linking)되어 있습니다. 이 교차 연결은 고분자 사슬 간에 물리적 또는 화학적 결합을 형성하여, 재료가 변형되었을 때 이러한 결합들이 일시적으로 늘어났다가 원래의 상태로 복귀할 수 있도록 합니다. 외부에서 힘이 가해질 때, 이 고분자 체인들은 늘어나거나 구부러지지만, 힘이 제거되면 이 교차 연결들이 원래의 길이로 돌아가려는 경향 때문에 재료 또한 원래의 형태로 복귀하게 됩니다. 이러한 현상은 엔트로피(entropy)와 관련된 열역학적 원리에 의해 추가적으로 설명될 수 있습니다. 고분자 재료가 변형될 때, 그 구조 내의 엔트로피가 증가하며, 힘이 제거되면 시스템은 가능한 한 낮은 에너지 상태로 돌아가려는 자연스러운 경향을 가집니다. 이 과정에서 분자 간의 탄성력이 작용하여 재료를 원래의 상태로 되돌립니다.
Q. 시간은 실제로 존재하는 걸까요 아니면 인간의 발명일까요?
안녕하세요. 시간이 실제로 존재하는 것인지, 아니면 인간이 만들어낸 개념인지에 대한 논의는 과학과 철학의 교차점에서 중요한 주제입니다. 시간을 실체로 보는 관점은 주로 물리학에서 발견될 수 있으며, 현대 물리학에서는 시간을 우주의 근본적인 차원으로 간주합니다. 이에 반해, 시간을 인간의 인식 및 측정 방식에서 비롯된 개념으로 보는 관점은 철학적 해석을 중심으로 펼쳐집니다. 물리학에서 시간의 실재성은 주로 아인슈타인의 상대성 이론에서 그 근거를 찾을 수 있습니다. 상대성 이론에 따르면, 시간은 공간과 더불어 시공간의 구성 요소로서 존재하며, 중력과 속도와 같은 물리적 조건에 따라 변화하는 성질을 가집니다. 이 이론은 시간이 단순히 인간의 주관적 경험에 불과한 것이 아니라, 우주의 기본적인 구조와 밀접하게 연결되어 있음을 시사합니다. 예를 들어, 강한 중력장이 있는 곳에서는 시간이 느리게 흐르는 현상(시간 지연)을 예측하고, 이는 GPS 시스템의 작동 원리에서 고려되어야 할 실제적인 요소로 작용합니다. 한편, 철학에서는 시간을 인간이 경험하고 측정하기 위해 고안한 개념으로 보는 경향이 있습니다. 이 관점은 시간을 구성하는 순간들이 인간의 의식 속에서 어떻게 연결되는지, 사회적 협약과 문화적 맥락 속에서 시간이 어떻게 인식되고 사용되는지를 중점적으로 다룹니다. 이러한 관점에서 시간은 실체가 아니라 인간의 인식 방식에 따라 변화하는 추상적인 개념으로 간주됩니다. 이 두 관점은 각각 물리학과 철학이라는 서로 다른 학문 영역에서 출발하지만, 현대 과학과 철학에서는 이러한 경계가 점점 모호해지고 있습니다. 예컨데, 양자 물리학과 뇌 과학의 최신 연구는 시간의 인식이 어떻게 물리적, 생물학적 조건에 의해 영향을 받는지를 탐구하고 있습니다. 조금 더 심도있는 내용을 구하고 싶으시다면, Physics of the Impossible (Michio Kaku)와 같은 책을 추천드립니다.
Q. 자석은 왜 항상 N극과 S극으로만 존재할까요?
안녕하세요. 자석이 항상 북극(N극)과 남극(S극)을 동시에 가지고 있는 현상은 자석의 내부 구조와 자기장의 본질적인 특성에 원인이 있습니다. 이러한 특성은 전자의 스핀과 원자 내 자기 모멘트의 상호작용에 근거하며, 자석을 반으로 나누어도 각각의 조각은 새로운 N극과 S극을 형성하는 것으로 나타납니다. 자석의 이러한 특징은 자기 디폴(자기 쌍극자 ; magnetic dipole) 모델에 의해 설명될 수 있습니다. 자석의 각 원자는 전자의 스핀 때문에 작은 자기 디폴을 형성합니다. 이러한 원자들이 일정 방향으로 정렬되어 있을 때, 그 합은 강력한 자기장을 형성하고, 이는 매크로스코픽한 자석의 N극과 S극으로 나타납니다. 자석의 어느 부분을 잘라내더라도, 잘린 각 부분에는 원자들이 여전히 자기 디폴을 형성하고 있기 때문에, 자르는 즉시 새로운 N극과 S극이 생성됩니다. 이 현상은 자석 내부의 원자들이 어떻게 자기적으로 상호작용하는지를 나타내는 기본적인 자기 이론에 근거합니다. 자석이 어떻게 작동하는지에 대한 이해는 물리학의 전자기학 분야에서 중요한 주제 중 하나입니다. 특히, 자석의 작동 원리는 '전자기 이론(Electromagnetic Theory)'이나 '고체 물리학(Solid State Physics)'과 같은 고급 물리학 교과서에서 자세히 다루어 집니다. 대표적인 책을 추천드리자면, Introduction to Electrodynamics (David J. Griffiths)의 책을 추천드립니다.
Q. 주기율표에서 같은 주기에 속한 원소들은 어떠한 공통점이 있을까요?
안녕하세요. 주기율표에서 같은 주기에 속한 원소들은 전자껍질의 수가 동일하다는 공통적인 특징을 공유하는 것이 맞습니다. 이러한 구조적 특성은 원소들의 화학 물리 적 성질에 영향을 미칩니다. 주기 내에서 원소들은 주기의 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 프로톤의 수가 증가하고, 이에 따라 전자 또한 증가합니다. 이러한 증가는 원소의 이온화 에너지, 전자친화도, 전기음성도 등의 성질에 변화를 가져오게 됩니다. 같은 주기의 원소들이 가지는 전자껍질의 수는 동일하므로, 이들의 최외각 전자껍질(valence shell)에 전자가 추가됩니다. 이 현상은 이온화 에너지(원소가 전자를 잃는 데 필요한 에너지)가 일반적으로 증가하는 경향을 보이는 이유입니다. 주기가 진행됨에 따라 핵의 양전하가 증가하고, 이는 전자를 더 강하게 끌어당겨 더 많은 에너지가 필요하게 만듭니다. 또한, 전자친화도(원소가 전자를 얻었을 때 방출되는 에너지)도 비슷한 경향을 보이며, 원소가 더 많은 전자를 획득할수록 전자친화도가 높아질 가능성이 있습니다. 이와 함께, 원소의 원자 반경은 주기가 진행됨에 따라 감소하는 경향을 보입니다. 이는 추가되는 전자가 동일한 전자껍질에 위치하기 때문에 핵과의 거리는 변하지 않지만, 핵의 양전하가 증가하여 전자껍질을 더 강하게 당기기 때문입니다. 이러한 구조, 전자적 특성은 원소의 화학적 성질에 큰 영향을 미칩니다.
Q. 주기율표에서 같은 족에 속한 원소들은 어떠한 공통점이 있을까요?
안녕하세요. 주기율표에서 같은 족에 속한 원소들이 빗스한 화학적 성질을 나타내는 이유는 이들 원소가 유사한 전자 배치를 가지고 있기 때문입니다. 같은 족의 원소들은 가장 외곽의 전자껍질(valence shell)에 동일한 수의 전자를 보유하고 있으며, 이는 원소의 화학적 반응성에 직접적으로 영향을 미칩니다. 화학적 성질의 유사성은 전자껍질 구성의 유사성에서 기인합니다. 예를 들어, 알칼리 금속(제1족) 원소들은 가장 외곽의 전자껍질에 단 하나의 전자를 가지며, 이는 이들이 매우 반응성이 높고 비슷한 화학 반응 경향을 보인다는 것을 의미합니다. 이 원소들은 물과 격렬하게 반응하여 수소 가스를 방출하고, 물에 녹을 때 강한 염기성 용액을 형성합니다. 또한, 할로겐(제17족) 원소들은 가장 외곽의 전자껍질에서 전자 하나만을 더 받아들이면 가장 안정된 귀금속의 전자 구성을 이룰 수 있습니다. 이로 인해, 이들은 매우 강한 산화제로 작응하며, 할로겐화 반응에서 다른 원소들로부터 쉽게 전자를 획득합니다. 예를 들어, 염소는 브로민, 요오드와 반응하여 이들보다 더 강한 산화 능력을 보이며, 다양한 유기 및 무기 반응에서 산회제로서의 역할을 합니다.