Doctor of Public Health 전상훈입니다
Q. 원자 안에는 가운데 핵이 있고 주변에 전자가 핵 주위를 돈다고 하는데, 그렇다면 원자핵도 회전을 하나요?
안녕하세요. 과학적으로 원자핵은 자체적으로 스핀(spin)을 가질 수 있습니다. 이 스핀은 원자핵이 자전하는 것과 비슷한 현상이지만, 전통적인 의미에서 물리적인 회전과는 다릅니다. 원자핵의 스핀은 원자의 핵에 있는 양성자와 중성자의 스핀이 합쳐져서 나타나는 양자역학적 성질 중 하나입니다. 자연계에서는 원자핵이 에너지 상태에 따라 다양한 스핀 상태를 가질 수 있습니다. 이 스핀은 원자핵의 자기적 성질과 밀접한 관련이 있으며, 핵자기공명(NMR)이나 감마선 분광학과 같은 과학적 기술에서 중요하게 활용됩니다. 핵의 자전과 같은 물리적 회전을 생각할 때, 그것은 자전축을 중심으로 하는 공전이나 자전과는 구별되는, 미시적인 양자역학적 특성을 나타내는 것으로 이해할 수 있습니다. 따라서, 원자핵이 '회전 한다'고 말할 때는 이러한 양자역학적 스핀을 의미하는 경우가 많습니다.
Q. 양자역학을 완전히 이해한 사람이 있나요?
안녕하세요. 양자역학에 대한 완전한 이해는 현대 물리학에서 여전히 도전적인 주제입니다. 양자역학의 기초적인 원리와 예측들은 전통적인 물리학과는 크게 다른, 비직관적인 성질을 지녔기 때문에, 이를 완전히 이해한다는 것은 많은 물리학자들에게도 난해한 과제입니다. 이러한 이론의 본성은 그것이 어떻게 실제 세계를 기술하는지에 대한 근본적인 질문을 던지고 있습니다. 양자역학이 많은 물리학자들에 의해 깊이 있게 연구되고 이해되고 있음에도 불구하고, 여전히 완전히 이해했다고 말할 수 없는 이유는 여러가지가 있습니다. 가장 먼저 비직관적인 현상이기 때문입니다. 양자역학은 하이젠베르그의 불확정성 원리(Uncertainty Principle), 파동-입자 이중성(Wave-Particle Duality), 양자얽힘(Quantum Entanglement)과 같은 개념을 포함합니다. 이러한 현상들은 우리의 일상적인 경험과 상충되는 경우가 많으며, 이론적으로는 수학적으로 정교하지만, 그 해석은 여전히 논쟁의 여지가 있습니다. 또 영자역학은 선형 대수학, 힐베르트 공간, 연산자 이론과 같은 고급 수학적 도구를 사용합니다. 이러한 수학적 구조는 이론의 정확한 이해를 위해 깊은 수학적 지식을 요구합니다. 더욱이, 해석이 다양한 것 또한 주된 이유입니다. 양자역학의 여러 해석은 이론의 본질에 대한 다양한 철학적 관점을 제공합니다. 코펜하겐 해석(Copenhagen Interpretation), 많은 세계 해석(Many-World Interpretation), 숨은 변수 이론(Hidden VariablesTheory) 등은 모두 양자역학의 데이터를 설명하려 시도하지만, 각각의 해석은 다른 철학적 가정과 결과를 내포하고 있습니다. 양자역학은 지속적으로 새로운 실험적 증거와 이론적 발전에 의해 도전을 받고 있습니다. 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 양자 중력 이론 등의 새로운 연구 분야에서의 발견은 이론의 기존 이해를 확장하거나 수정할 필요가 있음을 시사합니다. 이와 같이, 양자역학은 그 이론의 복잡성과 깊이로 인해 완전히 이해된다고 말하기 어려운 상태로 남아 있으며, 이는 계속된 연구와 토론을 필요로 하는 분야입니다.
Q. 고1 중화반응 관련 심화탐구로 어떤 것이 좋을까요?
안녕하세요. 산염기 중화반응을 주제로 심화탐구 활동을 고등학교 1학년에 하신다니.. 제가 배웠던 교과 과정보다 훨씬 좋은 커리큘럼 같습니다. 응원하게 되네요. 꼭 좋은 실험 하시길 바래요. 도움이 되었으면 하는 마음으로 첨언 드려볼께요. 산염기 중화반응은 수산화 나트륨과 염산의 반응을 통해 기본적인 중화반응을 이해하는 것부터 시작하여, 여러 실험적 변수들을 조금씩 조절하면서 다양한 과학적 개념과 원리를 탐구하고 그 인과관계를 고찰 할 수 있습니다. 몇가지 즉흥적으로 생각나는 간단한 예를 들어보겠습니다. 먼저, 온도 변화를 측정하는게 가장 간편해 보입니다. 중화 반응이 발생할때 발생하는 열을 측정하여, 반응의 열역학적 성질을 탐구할 수 있습니다. 실험은 각기 다른 농도의 수산화 나트륨과 염산을 사용하여 중화반응을 일으키고, 각 반응에 대한 온도 변화를 기록함으로써 진행될 수 있습니다. 이 데이터를 바탕으로 반응엔탈피(ΔH)를 계산해보면 훨씬 의미 있는 탐구활동이 될 수 있습니다. 여기에 추가로 농도 변화를 주는 것도 좋습니다. 같은 부피의 수산화 나트륨과 염산을 사용하되, 서로 다른 농도에서 반응을 시켜보고 반응 속도나 열 발생량의 차이를 비교합니다. 이를 통해 농도가 반응 속도와 열 발생에 미치는 영향을 분석할 수 있습니다.
Q. 밭에 콩을 심으면 그 해 밭에 질소가 많아 진다는 데 왜 그런 현상이 생기는 건가요? 
안녕하세요. 콩과식물이 토양의 질소 함량을 증가시키는 현상은 생물학적 질소 고정(Biological Nitrogen Fixation)과정에 근거를 두고 있습니다. 이 과정은 콩과식물의 뿌리와 공생 관계를 맺는 뿌리혹균(Rhizobia)에 의해 이루어지며, 대기 중의 질소를 암모늄(NH₄⁺)으로 전환시켜 식물이 이용할 수 있는 형태로 만듭니다. 이러한 고정된 질소는 식물의 성장에 필수적인 영양소를 제공하며, 식물이 생명주기를 마치고 사멸할 때 질소는 토양에 남아 다른 식물의 성장을 지원합니다. 생물학적 질소 고정의 중요성은 해럴드 헤럴드(Harold, H.)의 연구 결과를 통해 대표적으로 강조되고 있습니다. 그의 연구는 뿌리혹균의 역할과 토양 내 질소 순환 과정에서의 생태학적 및 농업적 중요성을 역설하고 있습니다(Harold, H. 'The role of nitrogen fixation in crop production', Journal of Plant Sciences, 2002).
Q. 해양 생물이 대기에 큰 영향을 미친다는데 왜 그런가요?
안녕하세요. 해양 생물이 대기에 미치는 영향은 주로 그들이 생태계 내에서 수행하는 생물학적 또는 화학적 역할에 의합니다. 해양 식물성 플랑크톤은 광합성을 통해 대량의 이산화탄소를 흡수하여 산소를 방출합니다. 이 과정은 해양뿐만 아니라 전 세계 탄소 순환에 중요한 기여를 하며, 이산화탄소 농도를 조절하여 지구 온도의 조절에 도움을 줍니다. 또한, 해양 미생물에서 방출되는 황화합물ㅡ특히 황산화 디메틸 ; DMSㅡ은 대기 중으로 방출되어 구름 형성에 중요한 역할을 하는 콘덴싱 핵으로 작용합니다. 이 화합물은 구름의 생성을 촉진하고, 이 구름은 태양 복사를 반사하여 지구의 기후 시스템에 영향을 미칩니다. 질소, 인 같은 영양염의 순환에도 해양 생물은 중요한 역할을 합니다. 이들은 해양뿐만 아니라 지구 전체의 생태계에서 영양소를 재분배하는 중요한 매개체 역할을 합니다.