Doctor of Public Health 전상훈입니다
물리
Q. 높은 속력으로 달리는 물체가 바로 멈추기 어려운 이유?
안녕하세요. 높은 속력으로 달리는 물체가 바로 멈추기 어려운 이유는 관성(慣性, inertia)과 운동량(運動量, momentum)이라는 물리적 원리와 관련이 깊습니다. 이 두 가지 개념은 뉴턴의 운동 법칙 중 첫 번째 법칙, 관성의 법칙에 의해 설명됩니다. 먼저, 관성은 물체가 현재의 운동 상태를 유지하려는 성질입니다. 즉, 정지해 있는 물체는 그대로 정지하려고 하고, 운동 중인 물체는 계속해서 움직이려는 경향을 가집니다. 이때 물체의 질량이 클수록, 속력이 빠를수록 관성의 크기는 증가합니다. 따라서, 물체가 고속으로 이동할 경우, 그 물체는 외부에서 강한 힘이 가해지지 않는 한, 계속해서 그 운동을 유지하려고 하므로 즉시 멈추기 어려워집니다. 두 번째로, 운동량(p)은 물체 질량(m)과 속도(v)의 곱으로 정의됩니다 : p=m⋅v 운동량이 크다는 것은 물체가 멈추기 위해 더 큰 힘이나 더 긴 시간이 필요하다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 속력이 빠른 물체는 높은 운동량을 가지며, 이를 멈추기 위해서는 외부에서 큰 힘을 오랜 시간 동안 가해야 합니다. 운동량이 크면 클수록 물체가 정지하는데 필요한 시간이 길어지며, 그 결과 빠르게 달리는 물체가 즉시 멈추는 것이 어렵게 되는 것입니다. 따라서, 물체가 빠르게 달릴수록 바로 멈추기 어려운 이유는 그 물체가 가지고 있는 관성과 운동량이 크기 때문에, 이를 극복하려면 더 큰 힘이나 더 긴 시간이 필요하기 때문입니다. 이 두 물리적 성질은 물체의 운동 상태를 유지하려는 경향을 설명하며, 바로 정지하지 못하고 시간이 걸리는 이유를 물리적으로 뒷받침합니다.
화학
Q. 드라이아이스는 어떻게 만들어 지나요?
안녕하세요. 드라이아이스(固體二酸化炭素, solid CO₂)는 고체 이산화탄소(二酸化炭素, CO₂)로, 일반적인 온도와 압력에서 기체로 존재하는 이산화탄소를 낮은 온도와 높은 압력을 이용해 고체로 변환한 것입니다. 드라이아이스는 기체에서 고체로 변할 때 액체 상태를 거치지 않고 직접 고체화되기 때문에 특유의 승화(昇華, sublimation)특성을 보입니다. 이는 드라이아이스가 녹는 대신 바로 기체로 변하면서 주위 온도를 급격하게 낮추는데 사용되는 중요한 냉각제의 역할을 합니다. 드라이아이스 제조는 기본적으로 두 단계로 이루어집니다. 첫 번째 단계는 이산화탄소 기체를 압축하여 액화시키는 과정입니다. 이때 약 20기압 이상의 압력을 가해 기체 상태의 이산화탄소를 액체로 만듭니다. 압축된 액체 이산화탄소의 온도는 약 -20°C 정도로 유지됩니다. 두 번째 단계는 이 액체 이산화탄소를 갑작스럽게 압력을 낮추어 팽창시키는 것입니다. 이 과정에서 이산화탄소는 열을 빠르게 잃고, 고체와 기체가 동시에 형성됩니다. 생성된 고체 이산화탄소는 눈 형태의 입자로 나타나며, 이를 압축해 블록이나 펠릿 형태의 드라이아이스로 가공합니다. 화학적으로 드라이아이스는 물(H₂O)처럼 액체에서 고체로 변하는 것이 아니라, 기체에서 바로 고체로 변하는 것이 특징입니다. 이는 승화라는 물리적 과정으로 설명되며, 드라이아이스는 -78.5°C에서 승화합니다. 이러한 특성 덕분에 드라이아이스는 물처럼 녹아 액체가 남지 않고, 기체로 변하면서도 주변 환경을 빠르게 냉각할 수 있어, 냉동 식품이나 아이스크림의 포장에 자주 사용됩니다.
화학
Q. 비활성 기체가 반응 시킨 사례가 있는 데 그럼 이때 원자가 전자의 수는 뭔가요?
안녕하세요. 비활성 기체(稀活性氣體, noble gas)는 일반적으로 화학 반응에 매우 저항성이 강한 원소들입니다. 이들은 주기율표에서 18족 원소에 해당하며, 대표적으로 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn) 등이 있습니다. 이러한 비활성 기체의 가장 중요한 특징은 최외각 전자 껍질이 완전히 채워져 있다는 것입니다. 즉, 헬륨은 2개의 전자를 가지고 있고, 나머지 비활성 기체는 최외각에 8개의 전자를 가지고 있어서 더 이상의 전자 추가나 제거 없이 매우 안정한 상태에 있습니다. 이러한 안정성은 비활성 기체가 일반적으로 다른 원소와 화학적으로 반응하지 않는 이유입니다. 그러나 1960년대에 이르러 제논(Xe)과 크립톤(Kr) 같은 비활성 기체들이 특정 조건에서 반응을 일으킬 수 있다는 사실이 발견되었습니다. 예를 들어, 제논은 강한 산화제와 반응하여 제논화합물(ex : XeF₂, XeF₄, XeO₄ 등)을 형성할 수 있습니다. 이러한 화합물이 생성된다는 것은, 비활성 기체도 특정 조건에서 화학 결합에 참여할 수 있음을 의미합니다. 이때 질문하신 원자가 전자의 수와 관련하여, 비활성 기체의 최외각 전자는 여전히 8개입니다(헬륨의 경우2개). 비활성 기체가 반응을 하였다고 해서 최외각 전자의 개수가 바뀌는 것은 아닙니다. 제논의 경우, 반응 시에도 최외각 전자 수는 여전히 8개를 유지하면서, 확장된 전자 배치를 통해 결합을 형성할 수 있습니다. 이는 제논과 같은 원자가 d오비탈을 이용해 전자쌍을 공유하거나 수용하여 화합물을 형성할 수 있음을 나타냅니다. 따라서, 비활성 기체가 반응을 일으키는 경우에도 최외각 전자 껍질에 존재하는 원자가 전자의 수는 변하지 않으며, 여전히 8개를 유지합니다. 이때 반응이 일어난 것은 단순히 특정한 조건에서 비활성 기체가 다른 원소와 결합을 형성할 수 있었음을 의미하며, 그 기본적인 전자 구조에는 큰 변화가 없습니다.
물리
Q. 빛이 다른 매질의 경계면에 부딪힐 때 나타나는 현상이 반산과 굴절인데요 이 둘은 어떻게 다른가요?
안녕하세요. 빛이 서로 다른 매질의 경계면에 부딪힐 때, 반사(反射, reflection)와 굴절(屈折, refraction)이 나타날 수 있습니다. 이 두 현상은 빛이 경계면을 어떻게 통과하거나 되돌아오는가에 따라 구분되며, 기본적으로는 빛의 속도 변화와 경로 변경과 관련이 있습니다. 먼저, 반사는 빛이 한 매질에서 다른 매질로 전달되지 않고 경계면에서 다시 되돌아오는 현상입니다. 즉, 빛이 경계면에 도달했을때, 일부 또는 전체 빛이 원래 매질로 되돌아가는 것을 의미합니다. 이때 반사 법칙에 따라, 입사각(光의 경계면에 도달하는 각도)과 반사각(光이 다시 튕겨 나가는 각도)은 항상 같게 유지됩니다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같습니다 : θᵢ = θᵣ 여기서 θᵢ는 입사각, θᵣ는 반사각입니다. 거울에 비친 상이 바로 이 반사 현상에 의해 나타나며, 빛이 매질을 통과하지 않고 되돌아오는 특징을 보입니다. 반면, 굴절은 빛이 한 매질에서 다른 매질로 전달될 때, 경계면을 통과하면서 속도가 변화하고 이에 따라 진행 방향이 꺾이는 현상입니다. 굴절은 두 매질의 굴절률(屈折率, refractive index)의 차이에 의해 발생하며, 빛의 속도는 일반적으로 밀도가 더 높은 매질에서 느려지고, 그 결과 진행 방향이 변경됩니다. 굴절률이 높은 매질로 빛이 이동할 때는 빛의 속도가 감소하며, 이로 인해 빛이 경계면에서 수직에 더 가까운 쪽으로 굴절됩니다. 굴절은 스넬의 법칙(Snell`s Law)으로 설명되며, 수식으로는 다음과 같습니다 : n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂ 여기서 n₁과 n₂는 각각 첫 번째와 두 번째 매질의 굴절률이고, θ₁과 θ₂는 각각 입사각과 굴절각입니다. 예를 들어, 공기에서 물로 빛이 들어갈 때 물의 굴절률이 더 크기 때문에 빛은 더 느려지고, 경계면을 통과할 때 꺾여 굴절각이 입사각보다 작아집니다. 결론적으로, 반사는 빛이 경계면에서 되돌아오는 현상으로 입사각과 반사각이 동일하게 유지되는 반면, 굴절은 빛이 경계면을 통과하여 다른 매질로 이동하면서 속도가 변화하고, 이에 따라 진행 방향이 꺾이는 현상입니다.
생물·생명
Q. 닭이 이른 아침만 되면 크게 우는 이유는 뭔가요 ?
안녕하세요. 수탉이 이른 아침마다 우는 현상은 생체 리듬, 즉 일주기 리듬(circadian rhythm)과 깊은 관련이 있습니다. 닭은 시계를 보거나 시간 개념을 이해하지 못하지만, 그들의 생리적 시계는 태양 주기에 맞춰 조절됩니다. 이 리듬은 낮과 밤의 변화에 따라 조정되며, 수탉은 주로 새벽 무렵, 태양이 떠오를 시간에 맞춰 본능적으로 울게 됩니다. 일주기 리듬은 생명체가 하루 동안 일정한 주기로 반복되는 생리적 변화를 경험하는 것을 의미하는데, 이는 빛에 의해 크게 영향을 받습니다. 수탉의 뇌에는 빛을 감지하는 특별한 수용체가 있어, 해가 떠오르기 직전의 미세한 빛 변화를 감지합니다. 이 과정에서 뇌가 아침이 곧 시작된다는 신호를 받아 수탉이 울기 시작하는 것입니다. 특히 새벽에 수탉이 크게 우는 것은 다른 수탉들에게 자신의 영역을 알리고, 새벽이라는 새로운 시간대가 시작되었음을 알리는 사회적 행동의 일환이기도 합니다. 그러나 흥미로운 점은, 수탉이 빛에만 의존하지 않는다는 것입니다. 연구에 따르면, 수탉은 빛이 없는 환경에서도 여전히 비슷한 시간대에 우는 경향이 있습니다. 이는 그들의 생체 시계가 환경적 요인과 관계없이 일정한 리듬을 유지하도록 내재화되어 있다는 것을 의미합니다. 수탉의 몸은 자연적으로 약 24시간 주기를 따르며, 빛과 같은 외부 자극이 이 리듬을 더욱 정교하게 조정해주는 역할을 합니다. 결국, 수탉이 매일 아침 일정한 시간에 우는 이유는 그들이 시각적인 자극이나 외부 신호를 감지하는 능력뿐만 아니라, 내부적으로 조정된 생체 시계에 의해 조절되기 때문입니다. 이는 빛의 변화뿐만 아니라 유전적으로 프로그램된 일주기 리듬에 의해 규제되는 본능적인 행동입니다.