[비센의 재미있는 과학 이야기] 에너지 질량 등가 원리(1) > 교육칼럼

본문 바로가기
사이트 내 전체검색
교육칼럼

[비센의 재미있는 과학 이야기] 에너지 질량 등가 원리(1)

페이지 정보

작성자 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 작성일15-11-19 11:31 조회2,946회 댓글0건

본문

E=mc2라는 공식을 들어보신 적이 있으신가요?

--------------------------------

 

 

 

 

이공계를 전공하신 분이라면 말할 것도 없고, 중고등학교 물리시간에 들어보셨을 수도, 혹은 광고나 영화에서 들어보셨을 수도 있는 이 공식은 뉴튼의 F=ma라는 운동법칙과 더불어 물리학 전체에서 가장 유명한 공식이 아닐까 싶습니다. 아인슈타인의 상대성이론에서 등장하는E=mc2라는 이 공식은 ‘에너지질량등가원리’라고 불립니다.

 

E는 물체가 갖고 있는 전체 에너지를 뜻하고, m은 물체의 질량, 그리고 c 는 빈공간에서의 빛의 속도로서 30만 km/s라는 상수값을 뜻합니다. 즉, 물체의 질량에 빛의 속도의 제곱인 상수값을 곱해주기만 하면 그 물체가 갖고 있는 에너지를 알 수 있다는 것입니다.

 

물체의 상대적 움직임에 따라 그 물체의 질량이 변화한다는 알송달송한 상대성 이론에서의 의미만큼이나 흥미로운 것은 물체의 질량이 곧 에너지이고, 에너지가 곧 질량이라는 등가원리 자체의 의미입니다.

 

이 원리에 따라 단순하게 값을 넣고 계산해 보면, 1 g(그램)의 자그마한 물체내부에 90,000,000,000,000 J(주울)의 어마어마한 양의 에너지가 들어있다는 것이고 이는 약 8톤 정도의 석유를 태워 만들어 낼 수 있는 전기 에너지에 해당하며 이를 이용할 수만 있다면 시간당 10만 kW(킬로와트)의 전기를 생산해 낼 수 있다는 계산이 나옵니다.

 

쉽게 생각해보면 주변에 있는 쓸모없는 물건 몇개만 대충 모아서 그 질량을 에너지로 바꾸기만 한다면 엄청난 양의 에너지를 만들어 낼 수 있다는 말이 되고, 그럼 '우린 뭐하러 에너지때문에 그토록 골머리를 썩고 있는 건'지 의문이 생기게 됩니다.

 

하지만 안타깝게도 그만큼의 에너지가 물질 내부에 들어있는 것은 맞지만, 우리가 그것을 에너지로 바꿔 사용하는 것이 말같이 쉬운 일이 아닙니다.

 

이러한 에너지가 도대체 어디에 어떻게 들어있는 것인지 예를 들어 보자면, 우리 앞에 귤이 하나 있는데 귤의 전체 질량이 100 g이라고 가정합니다.

 

이 귤은 모두 열쪽이 모여있는데, 그 열쪽을 하나하나 띄어서 접시에 놓은 후, 분리된 열쪽의 질량을 다시 재보았을 때, 그 질량이 만약 95 g이었다면, 우리는 그 차이에 대해서 귤을 한쪽한쪽 나누는 동안, 즙이 빠져나갔을 수도 있고, 또 귤에 붙어있는 껍질 부분이 좀 더 떨어져 나갔을 수도 있고, 뭐 어쨋든 5 g의 질량이 없어진 것이 크게 문제가 되지 않는다고 생각할 수 있습니다.

 

하지만, 만약에 110 g으로 질량이 증가했다면 어떨까요? 전체 덩어리일때는 100 g 이었던 귤이 쪽을 나누었더니 그 질량이 110 g으로 증가했다면 우리는 누구나 뭔가 잘못된다고 생각할 것입니다. 상식적으로 말이 안되는 계산이기 때문에 그렇습니다.

 

하지만, 이 상식적으로 말이 안되는 현상이 물질 내부의 원자핵의 질량을 계산할 때 실제로 일어납니다. 헬륨(He)의 원자핵은 두개의 양성자(proton)과 두개의 중성자(neutron)으로 이루어져 있는데, 헬륨 원자핵의 질량보다 두개의 양성자, 두개의 중성자 질량을 따로 따로 구해서 합쳐본 값이 더 크게 나옵니다.

 

즉, 조각조각일때의 질량이 전체 그룹으로있을 때의 질량보다 더 무겁다는 것입니다. 그 이유를 우리는 바로 ‘에너지질량등가원리’로 설명할 수 있습니다. 원자핵 내부의 두개의 양성자와 두개의 중성자는 비닐봉지에 귤 네개를 담아두듯이 핵 내부에 넣어둘 수 있는 것이 아닙니다.

 

특히나 양성자는 같은 전하를 띈 입자로서 서로 밀어내려고 하는 척력이 생기기 때문에 원자핵과 같이 좁은 공간에 이들을 잡아두기 위해서는 그만큼 강한 에너지로 이들을 잡고 있어야 합니다.

 

이때 이들 입자들을 서로 붙여두기 위한 에너지를 결합에너지(binding energy)라고 부르는데, 이 에너지가 다른 외부에서 공급되는 것이 아니기 때문에 헬륨 원자핵이 형성될 때, 내부의 네개의 입자가 서로의 질량중의 일부를 떼어내어 에너지로 전환시켜서 결합에너지로 사용하게 됩니다.

 

즉, 각각의 입자가 독립적으로 있을 때는 온전히 질량으로 있었던 것이 결합을 위해 일정 질량을 에너지로 전환시켜 버리기 때문에 결합해 있는 전체 덩어리일때의 질량이 결과적으로 더 적게 되는 것입니다.

 

덩치가 커다란 원자핵을 좀 더 작은 핵들로 쪼개면 필요한 결합에너지가 줄어들기 때문에 그 차이만큼의 에너지를 밖으로 방출시키기도 하는데, 이렇게 떨어져 나오는 방출에너지를 이용하여 전기를 생산하는 것이 바로 원자력발전의 원리입니다.

 

결합에너지의 전체도 아니고, 그 중에 아주 적은 양만을 사용하는 것인데도 1 g의 우라늄으로 석유 9드럼과 동일한 열에너지를 만들어 낼 수 있다고 하니, 핵속에 담겨있는 결합에너지가 얼마나 엄청난 양의 에너지를 갖고 있는 것인지 짐작할 수 있습니다.

 

아인슈타인이 핵폭탄을 만들었다고 말하는 루머도 가끔 있는데, 비록 아인슈타인이 핵폭탄을 만드는데에는 직접적으로 관여한 것은 아니지만, 핵폭탄의 기본원리 역시 E=mc2라는 단순한 공식에서 출발하기 때문에 생겨난 이야기라 볼 수 있습니다.

 

사실, 핵폭탄과 핵발전소의 원리는 그 근본 원리는 갖고, 그 폭발력을 어떻게 제어하느냐의 차이라고 볼 수도 있습니다. 물론 핵발전소를 언제든지 핵폭탄으로 바꿀 수 있다는 뜻은 아닙니다.

 

에너지질량등가원리의 현상이 직접적으로 검출이 가능한 소립자의 세계는 정말이지 우리의 상식으로는 설명이 되지 않는 일들로 가득차 있습니다. 결합에너지의 차이를 측정함으로써 에너지와 질량이 서로 전환이 된다는 것으로 실제로 확인할 수 있다고 말씀드렸는데, 이보다 더 황당하게 들리는 마술같이 들리는 물리현상들도 있습니다.

 

전자와 양전자의 쌍생성(pair production), 쌍소멸(pair annihilation)이라는 현상이 있는데, 전자(electron)와 양전자(positron, 전자와 전하는 다르고 질량은 같은 입자로 전자의 반입자에 해당)의 질량과 등가에 해당하는 에너지를 갖고 있는 빛이 일정 조건을 만족시켜주는 상태로 입사되면 빛이 갑자기 없어지고, 전자와 양전자 쌍이 만들어지는 현상을 쌍생성이라고 합니다.

 

즉 빛이 갑자기 없어지고, 그 자리에 입자가 만들어지는 마술과 같은 일이 벌어지는 것이지요. 또한 반대로 전자와 양전자가 공간상에서 서로 만나 두 입자가 사라지고 그 질량의 등가에 해당하는 에너지를 갖은 빛이 방출되는 현상을 쌍소멸현상이라고 합니다. 이는 정말 말도 안되는 것 같은 이론 속의 이야기를 하는 것이 아닙니다.

 

암진단을 위해 이용되는 양전자단층촬영기(Positron Emission Tomography, PET)라는 것이 바로 이 쌍소멸을 이용하는 영상기기로서, 환자의 몸에 양전자를 방출하는 방사선 물질을 주사한 후, 거기서 나온 양전자가 몸속의 전자와 함께 쌍소멸을 일으키며 방출되는 빛을 검출하여 종양의 위치를 찾아내는 것이 그 원리인 것입니다.

 

E=mc2라는 단순해 보이는 공식하나에 소립자 세계의 눈에 보이지 않는 운동, 거대한 원자력 발전소에서의 발전 원리 등을 설명할 수 있는 근본 원리가 모두 들어있다는 것, 이것이 바로 모든 사실들의 근본적 원리를 탐구하는 물리학의 아름다움이라고 할 수 있겠습니다. 

 

석준영.gif

석준영

댓글목록

등록된 댓글이 없습니다.

교육칼럼 목록

게시물 검색
Total 955건 1 페이지
교육칼럼 목록
번호 제목 글쓴이 날짜 조회
955 [비센의 재미있는 과학 이야기] 태양에 가까운 산 정상이 왜 더 추운 걸까? 석준영 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 09-20 12100
954 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 항일 의병 운동 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 08-28 10125
953 [비센의 재미있는 과학 이야기] 물은 당연히 섭씨 100도씨에서 끓는다. 석준영 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 09-28 8436
952 녹지 않는 빙수 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 06-02 7394
951 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 삼국지 위서 동이전 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 11-29 7306
950 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 신라의 민정 문서 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 01-31 6379
949 [비센의 재미있는 과학 이야기] 전자기 유도와 무선충전 원리 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 04-13 6103
948 [비센의 재미있는 과학 이야기] 플라스틱을 먹어치우는 박테리아 석준영 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 04-19 6077
947 [비센의 재미있는 과학 이야기] 줄다리기 승패는 신발이 좌우한다 석준영 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 08-24 6050
946 [비센의 재미있는 과학 이야기] 끓는점과 녹는점 그리고 기압과 불순물 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 09-02 5748
945 <비센의 재미있는 과학이야기> ‘물수제비 (stone skipping)’ 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 08-31 5665
944 [비센의 재미있는 과학 이야기] '0'의 역사 석준영 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 02-22 5653
943 비행시간과 상대속도 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 05-26 5535
942 [비센의 재미있는 과학 이야기] 레이저의 원리 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 06-11 5307
941 [과학 이야기] 양자 전송 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 09-22 5013
940 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 하층민(농민, 천민)의 봉기 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 01-10 4954
939 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 조선시대의 중앙 정치 조직과 지방 행정 조직 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 05-13 4936
938 [알기 쉽게 풀어 쓰는 한국사 수업] 31. 고려 시대 여성의 지위 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 05-31 4920
937 [알기 쉽게 풀어 쓰는 한국사 수업] 29. 상정고금예문과 직지심체요절 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 05-17 4863
936 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 금동 미륵보살 반가 사유상 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 04-12 4800
935 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 거란(요)과의 전쟁 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 01-17 4746
934 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 정림사지 5층 석탑 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 12-28 4744
933 [비센의 재미있는 과학 이야기] 곰탕 폭발의 미스테리 석준영 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 06-28 4712
932 [CELPIP의 모든 것] “영국 시험 아닌 캐나다 시험으로 친숙하게 공부하기” 민동필 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 05-21 4707
931 [비센의 재미있는 과학 이야기] 꿈의 소재 그래핀이 열어가는 무한한 가능성 석준영 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 04-19 4691
930 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 백두산정계비, 간도 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 08-24 4662
929 [알기 쉽게 풀어 쓰는 한국사 수업] 28. 왕오천축국전 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 05-10 4660
928 [비센의 재미있는 과학 이야기] 3D 영상의 원리 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 02-04 4549
927 생활 속의 자녀교육 (17) - 주입식 교육, 그 원인은? 민동필 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 10-29 4546
926 [비센의 재미있는 과학 이야기] 바다는 왜 짤까? 석준영 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 11-01 4521
925 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 보부상 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 11-08 4476
924 [공부 방법을 익히는 공부 방법] 총정리 – 천재를 넘어서는 사고력을 기르는 방법 3 민동필 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 06-14 4389
923 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 중국에서의 항일 운동 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 10-11 4383
922 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 풍수지리설 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 04-19 4355
921 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 분황사모전석탑 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 03-21 4352
920 [비센의 재미있는 과학 이야기] 맛있는 음식의 비밀 - 마이야르 반응 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 12-29 4350
919 [공부 방법을 익히는 공부 방법] 듣기 훈련 민동필 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 05-24 4345
918 [비센의 재미있는 과학 이야기] 앤트맨처럼 작아지는 것이 실제로 가능할까? 석준영 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 07-12 4332
917 [비센의 재미있는 과학 이야기] 음의 질량 석준영 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 04-26 4222
916 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사 수업] 26. 경주 석굴암 본존 불상 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 04-26 4207
915 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 동학 농민 운동 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 07-26 4196
914 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 임진왜란과 이순신 댓글2 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 08-03 4177
913 [비센의 재미있는 과학 이야기] 별까지의 거리 측정법 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 10-13 4103
912 [비센의 재미있는 과학 이야기] 신기하고 위험한 액체 질소 석준영 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 09-07 4043
911 [비센의 재미있는 과학 이야기] 수학 공부는 왜 해야 하나요 ? 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 01-10 4031
910 [비센의 재미있는 과학 이야기] 태양계 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 06-18 3898
909 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 조선 후기 사회 구조의 변동 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 11-21 3896
908 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 오녀산성 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 11-09 3884
907 [비센의 재미있는 과학이야기] 눈의 흡음 효과 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 11-05 3873
906 [비센의 재미있는 과학 이야기] Smoke Detector (1) 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 04-24 3869
905 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 삼국(고구려, 백제, 신라)의 경제생활 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 02-07 3868
904 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 고조선(기원전 2333년~기원전 108년)의 8조법 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 11-01 3861
903 지혜와 지식의 차이(1) 민동필 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 06-02 3860
902 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 삼별초 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 12-27 3832
901 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사 수업] 27. 신라의 황룡사 9층탑 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 05-03 3824
900 [비센의 재미있는 과학 이야기] 도박의 비밀을 알면 성공적인 인생을 살 수 있다? 석준영 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 09-06 3775
899 [비센의 재미있는 과학 이야기] 비활성기체 화학반응을 성공시킨 UBC 교수 석준영 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 04-06 3775
898 [알기 쉽게 풀어쓰는 한국사] 불교가 들어오다 심창섭 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 11-22 3740
897 [비센의 재미있는 과학 이야기] 우주에서 실행되는 실험들 석준영 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 05-24 3736
896 [비센의 재미있는 과학 이야기] 불변의 진리였던 플로지스톤-진리가 아니었던 진리 석준영 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 07-26 3697
회사소개 신문광고 & 온라인 광고: 604.544.5155 미디어킷 안내 개인정보처리방침 서비스이용약관 상단으로
주소 (Address) #338-4501 North Rd.Burnaby B.C V3N 4R7
Tel: 604 544 5155, E-mail: info@joongang.ca
Copyright © 밴쿠버 중앙일보 All rights reserved.
Developed by Vanple Netwroks Inc.
모바일 버전으로 보기