팽이, 전자, 그리고 지구 II (고전/양자/천체)

앞글에서 팽이의 세차운동에 대해 얘기하면서 원자핵과 지구도 그러한 운동을 한다는 사실에 대해 짧게 언급하고 지나갔었는데 본 글에서 그것에 대해 좀 더 자세히 알아보기로 하자. 먼저 원자핵이나 전자의 경우에 대해 알아보기로 하자.

 

원자핵과 전자도 아주 작은 팽이로 볼 수 있다. 왜냐하면 그들도 스스로 회전을 하고 있기 때문인데 그들의 회전을 나타내는 용어로 spin이라는 단어가 사용된다. (spin이라는 단어는 일상생활에도 사용되는 단어인데 그러한 친숙한 용어가 우리 눈에 안보이는 미시세계의 입자들에도 통용된다는 사실이 흥미롭다.) 더욱 놀라운 사실은 원자핵을 구성하고 있는 양성자와 중성자도 회전을 하고 있으며 또 그들을 구성하고 있는 쿼크도 회전을 하고 있다는 사실이다. 즉, 이 자연계 -우리 몸을 포함해서- 를 구성하고 있는 모든 기본 입자들이 모두 다 스스로 회전을 하고 있다는 사실인데 결국 그들의 회전은 그들이 질량을 갖고 있고 또한 전하량을 갖고 있는 것과 마찬가지로 그들의 본질적인 성질인 것이다. (물질을 이루고 있는 기본입자들이 질량을 갖고 있는 이유, 그리고 전하량을 갖고 있는 이유에 대해서 아무도 모르는 것처럼 마찬가지로 왜 스핀을 갖고 있는지에 대해서도 그 이유는 아무도 모른다. 단지 그렇다는 사실만 알 뿐..)

 

어쨋든 재미있게 얘기해서 이 우주는 스스로 회전하고 있는 초미니 팽이들에 의해 구성되어 있다고 생각하면 된다.^^ 그렇다면 그들이 회전하고 있다는 것은 알았는데 그들이 정말 팽이와 같이 세차운동까지 하는가 하는 질문이 나올 수 있다. 답은 yes 이다. 이제 그것에 대해 알아보자.

 

전자는 전하를 갖고 있는 입자이다. 전자기학에 의하면 전하를 띈 입자가 운동을 하면 그 주변으로 자기장을 유도하게 되는데 일상에서 흔히 볼 수 있는 것으로 모터나 솔레노이드 코일을 생각하면 된다. 즉, 솔레노이드에 전류를 흘리면 솔레노이드 양쪽에 N극과 S극이 형성이 되어 솔레노이드 자체가 자석이 되어버리는데, 전자도 자전을 하므로 그 자체가 초미니 팽이이면서 곧 초미니 자석이 된다.

 

그런데 전자는 원자핵 둘레를 공전도 한다. (전자의 공전은 화학에서 배우듯이 오비탈이라는 명칭으로 불리고 있다.) 앞서 어떤 전하가 뱅글뱅글 돌면 그 주변에 자기장이 생긴다고 했는데 여기서도 전자의 공전에 의해 자기장이 생겨버리게 된다. 즉, 전자는 자기자신이 자석이면서 동시에 자신의 주변에 자기장을 만들어내는 역할까지 하게 되는 것이다! 이제 이렇게 되면 마치 나침반처럼 전자는 자신이 유도시킨 자기장과 같은 방향으로 정렬하고자 하는 힘을 받게 된다. 그런데 바로 이 정렬하고자 하는 힘이 전자의 스핀축에 토크를 발생시키게 되어 결국 그 자기장 방향을 축으로 해서 세차운동을 하게 되는 것이다. 즉, 전자의 공전에 의해 발생된 자기장이 전자의 스핀축에 토크를 발생시키게 되는 것인데 이로 인해 전자의 스핀축은 자신의 공전 평면에 수직인 축을 중심으로 세차운동을 하게 되는 것이다. 어떻게 보면 전자 혼자 원맨쇼(?)를 하는 꼴이 되는 셈이다.^^

 

이번에는 원자핵에 대해 살펴보자. 앞서 언급했듯이 원자핵도 전하를 갖고 있으면서 스핀이 있으므로 작은 자석이라고 할 수 있다. 그러므로 그 원자핵에다 외부에서 자기장을 걸어 주게 되면 그 원자핵의 스핀축이 외부자기장의 방향으로 정렬하고자 하게 되고, 그 정렬하고자 하는 힘이 스핀축에 토크를 발생시키게 되어 결국 외부자기장 방향을 축으로 해서 세차운동을 하게 된다. 이러한 원자핵의 세차운동 즉, 그 운동의 주기가 인체 내부 분자들의 특성에 따라 다 다름을 이용해서 인체 내부의 3차원 이미징을 하는 것이 요즘 병원에서 흔하게 이용되고 있는 MRI 검사의 핵심 원리가 되는 것이다. 

 

그러므로, 한가지만 기억하고 넘어가자. 미시세계의 팽이를 돌리려면 자기장을 걸어라!^^

 

2007/07/01 (2009/04/23 수정)