학문
원자 터널링이 어떡해 어떤방법으로 사용돼는지
물건이 원자고 사람몸이 전자 양성자 중선자가 한꺼번에 양자터널링이 몇퍼세트로 가능해?
그리고 원자랑 전자랑 양자 터널링이돼?
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이승호 전문가입니다.
양자 터널링이라는 신기한 현상에 대해 아주 흥미로운 질문을 주셨습니다. 맞춤법을 떠나 질문하신 핵심 내용이 물리적으로 매우 깊이 있는 부분이라, 이해하기 쉽게 하나씩 나누어 설명해 드리겠습니다.
첫 번째로 원자 터널링이 어떻게, 어떤 방법으로 사용되는지 말씀드리겠습니다.
가장 대표적인 사용 예시는 주사 터널링 현미경(STM)이라는 장치입니다. 아주 뾰족한 금속 바늘을 물질 표면에 가깝게 가져가면, 전자가 양자 터널링 현상으로 인해 허공을 통과해 흐르게 됩니다. 이 미세한 전류를 측정해서 원자의 배열을 눈으로 볼 수 있게 지도로 그려내는 장치입니다. 우리가 원자 하나하나를 관찰하고 조작할 수 있는 것은 모두 이 터널링 현상 덕분입니다.
그 외에도 우리가 매일 쓰는 스마트폰의 플래시 메모리에 데이터를 저장하고 지울 때도 전자를 터널링 효과로 벽 너머로 보내는 기술이 사용됩니다. 태양광 발전이나 원자력 발전의 기초가 되는 핵융합 반응 역시 원자핵들이 터널링 현상으로 장벽을 넘어가 서로 합쳐지면서 에너지를 냅니다.
두 번째로 원자와 전자가 양자 터널링이 되는지 물으셨는데, 결론부터 말씀드리면 둘 다 가능합니다. 다만 난이도에서 엄청난 차이가 납니다. 양자 터널링은 입자의 무게가 가벼울수록 훨씬 더 잘 일어납니다. 전자는 세상에서 가장 가벼운 입자 중 하나이기 때문에 일상적인 나노 기술 영역에서 터널링이 아주 쉽게 일어납니다. 반면 원자는 전자보다 수천 배에서 수십만 배나 무겁기 때문에, 터널링이 일어날 확률이 극도로 낮아집니다. 하지만 절대 불가능한 것은 아니며, 아주 저온의 환경이나 미시 세계에서는 원자나 원자핵이 터널링하는 현상이 실제로 관측되고 연구되고 있습니다.
마지막으로 가장 재미있는 질문인, 물건이나 사람 몸(전자, 양성자, 중성자의 집합체)이 한꺼번에 양자 터널링을 할 확률이 몇 퍼센트나 되는지 계산해 보겠습니다.
물리학적으로 확률이 0퍼센트는 아닙니다. 하지만 그 확률은 우주가 태어나서 지금까지 흐른 시간 동안 매초 시도해도 단 한 번도 일어나지 않을 만큼 상상할 수 없을 정도로 희박합니다.
숫자로 표현하자면, 사람 몸을 구성하는 그 수많은 입자들이 동시에 벽을 통과할 확률은 10의 거듭제곱 뒤에 영이 수십억, 수조 개가 붙는 분의 1 수준입니다. 사실상 퍼센트로 환산하면 0.0000...을 지구 몇 바퀴를 돌 만큼 써야 하는 수준이라 현실 세계에서는 완벽한 0퍼센트라고 보셔도 무방합니다.
이유는 양자 터널링이 입자 1개당 개별적으로 일어나는 독립적인 확률이기 때문입니다. 입자 한 개가 벽을 통과할 확률이 만약 10퍼센트라고 쳐도, 입자 두 개가 동시에 통과할 확률은 1퍼센트가 되고, 세 개는 0.1퍼센트가 됩니다. 사람 몸에는 무려 10의 28제곱 개라는 어마어마한 수의 입자가 모여 있기 때문에, 이 모든 입자의 확률을 다 곱해버리면 수학적으로는 존재하지만 현실에서는 절대로 일어날 수 없는 기적 같은 숫자가 되는 것입니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
양자 터널링은 입자가 원래는 넘지 못할 에너지 장벽을 아주 작은 확률로 통과하는 현상이며 반도체의 터널 다이오드 플래시 메모리 주사터널링현미경 같은 기술에 실제로 사용됩니다. 전자나 아주 작은 입자는 터널링이 비교적 자주 일어나지만 사람이나 물건처럼 엄청나게 많은 원자와 입자로 이루어진 큰 물체 전체가 한꺼번에 터널링할 확률은 사실상 0에 가까워 우주 나이보다 훨씬 긴 시간이 지나도 기대하기 어려운 수준입니다 원자나 전자는 모두 양자역학의 지배를 받기 때문에 터널링이 가능하지만 입자가 클수록 확률은 급격히 작아집니다.
안녕하세요. 김상엽 전문가입니다.
인간처럼 거대한 물체 속 수많은 원자와 전자가 한꺼번에 벽을 통과하는 양자 터널링 확률은 사실상 0%에 가깝습니다. 다만 미시 세계의 원자와 전자는 단독으로 터널링이 가능하며, 이는 반도체 미세 공정이나 주사 터널링 현미경(STM)등 첨단 기술에 활용됩니다.