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그림자 놀이. 출처: Man vyi가 1889년에 찍은 사진
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[윤복원의 물리상식으로 푸는 요즘 세상]
어둠이 만드는 그림자와 관련한 과학 이야기
외계행성 관측 방법과 엑스선 의료영상 원리
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그림자 놀이. 출처: Man vyi가 1889년에 찍은 사진
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2017년 8월 21일 개기일식이 일어날 때 지구에 드리운 달 그림자를 찍은 위성사진. 그림자 가운데의 가장 진한 부분에서 달이 해를 완전히 가리는 개기일식을 관측할 수 있다. 이 중심지역의 지름은 100km정도에 불과하다. 그 외의 그림자가 연한 부분에서는 부분일식을 관측할 수 있다. 출처: 미항공우주국
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개기일식과 금환일식, 그리고 부분일식
해의 지름 139만 km는 달의 지름 3474km보다 약 400배 크다. 하지만 해가 지구에서 떨어진 거리는 달이 지구에서 떨어진 거리보다 400배 가량 크다. 멀리 떨어져 있을수록 그에 비례해 더 작게 보이는 원리로 인해, 지구에서 해와 달은 거의 비슷한 크기로 보인다. 달이 지구에 가까워 달의 보이는 크기가 해의 보이는 크기보다 크고, 해와 달의 중심과 지구에서 보는 사람의 위치가 일직선 위에 놓여야만 개기일식을 관측할 수 있다. 만약에 달이 지구에서 멀리 떨어져 있어서 달의 보이는 크기가 해의 보이는 크기보다 작으면, 달과 해의 중심과 보는 사람의 위치가 일직선 위에 있어도 해를 다 가리지 못한다. 이때는 달 주위로 해가 반지처럼 보이는 금환일식을 관측할 수 있다. 해와 달의 중심이 보는 사람 위치와 일직선 위에 있지 않으면, 달이 해를 다 가리지 못해 해의 일부가 보이는 부분일식이 생긴다.
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달이 지구에 가까울 때는 달이 해에 비해 상대적으로 크게 보여 달이 해를 완전히 가리는 개기일식이 일어난다. 달이 지구에서 멀 때는 달이 상대적으로 작게 보여 달과 해의 중심이 일치해도 달이 해를 다 못 가려 해가 금반지처럼 보이는 금환일식이 일어난다. 해와 달 그리고 지구에서 보는 사람이 일직선상에 있지 않으면 달이 해의 일부를 가리지 못하는 부분일식이 일어난다. (그림에서는 이해를 돕기 위해 해와 달의 상대적인 크기를 과장했다.)
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외계행성이 항성을 가리며 지나갈 때, 지구에서 측정하는 별빛 밝기의 변화: 별 가운데를 지나갈 때는 행성이 별빛을 가리기 때문에, 그래프의 가운데 부분처럼 지구에서 탐지되는 별빛 밝기가 줄어든다. 행성의 크기가 클수록 별빛을 더 많이 가려 별빛 밝기는 더 많이 줄어든다.
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불투명한 재질의 불투명한 잔(왼쪽)과 투명한 유리의 투명한 잔(오른쪽)이 만드는 그림자: 빛은 그림 위쪽에서 아래쪽으로 비추고 있다. 불투명한 잔은 빛을 완전히 가리기 때문에 그림자도 진하다. 투명한 잔은 빛을 다 가리지 못해 그림자가 연하다.
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뢴트겐(Wilhelm R?ntgen)이 엑스선을 발견한 해인 1895년에 찍은 엑스선 사진: 왼쪽은 뢴트겐의 아내(Anna Bertha Ludwig)의 손을 찍은 엑스선 사진으로 최초의 엑스선 사진이다. 오른쪽은 뢴트겐의 친구(Albert von K?lliker)의 손을 찍은 엑스선 사진으로 손가락 뼈를 좀 더 자세히 볼 수 있을 만큼 화질이 좋다.
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엑스선 광전자 분광
물질이 어떤 원소로 만들어졌는지를 알아낼 때는 상대적으로 큰 엑스선의 광자에너지가 중요한 역할을 한다. 빛을 쬐면 물질에서 전자가 튀어나오는 것을 광전자(photoelectron) 효과라고 부른다. 엑스선을 쪼여도 광전자 효과가 나타나는데, 큰 광자에너지 덕에 원자 깊숙한 원자핵 가까운 곳에 있는 전자를 튀어나오게 할 수 있다.
원자 깊숙한 곳에 있는 전자의 에너지는 원소마다 다르다. 엑스선의 광자에너지를 알고 있으면, 엑스선을 쬐어 튀어나온 전자의 운동에너지를 측정해서 전자가 원자 깊숙한 곳에 있을 때의 에너지를 계산할 수 있다. 이 에너지로부터 전자가 속해 있던 원자가 어떤 원소의 원자인지 알 수 있다. 원자 깊숙한 곳에 있는 전자의 에너지가 원소마다 다르기 때문이다. 원자 깊숙한 곳에 있는 전자의 에너지는 사람으로 따지면 그 사람이 누구인지를 알 수 있는 지문인 셈이다.
이렇게 엑스선을 쬐어 튀어나오는 전자의 운동에너지를 측정해서 물질 속에 어떤 원소들이 있는지를 알아내는 방법을 ‘엑스선 광전자 분광’(XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy)이라고 부른다.
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‘엑스선 광전자 분광’(XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy)의 기본 작동 원리: 엑스선을 물질 표면에 쬐면 물질 속에 있던 전자가 튀어나온다. 엑스선의 광자에너지를 알고 있고 튀어나온 전자의 운동에너지를 측정하면, 전자가 원자 속에 있었을 때의 에너지를 계산할 수 있다. 이렇게 측정한 전자의 에너지로부터 전자가 어떤 원소에 있었는지를 알아낸다.
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에너지 분산형 엑스선 분광
강한 에너지의 전자나 엑스선을 물질에 때리면 원자 깊은 곳에 있는 전자가 방출된다. 그러면 원래 전자가 있던 자리에 빈자리가 생긴다. 이 빈자리를 같은 더 높은 에너지 상태에 있는 전자가 이동해 채운다. 이 전자가 잃은 에너지 만큼의 광자에너지를 지닌 빛을 방출한다. 광자에너지가 엑스선 영역일 경우 방출되는 광자의 에너지는 원소마다 다르기 때문에, 에너지를 분석하면 어떤 원소에서 나오는 엑스선인지 알 수 있다. 이러한 방법으로 물질을 구성하는 원소를 알아내는 분광법을 ‘에너지 분산형 엑스선 분광’(EDS: Energy dispersive X-ray spectroscopy)이라고 부른다. 높은 에너지의 전자 빔을 사용하는 전자현미경에 EDX장비를 같이 설치해 사용하는 경우가 많다.
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‘에너지 분산형 엑스선 분광’(EDS: Energy dispersive X-ray spectroscopy)의 기본 작동 원리: 높은 에넌의의 전자나 엑스선을 물질 표면에 쬐면 물질 속에 있던 전자가 튀어나오면서 빈자리를 만든다. 더 높은 에너지의 전자가 이 빈자리를 채우고, 전자가 잃은 에너지 만큼의 광자에너지를 지닌 엑스선을 방출한다. 방출한 엑스선의 광자에너지를 측정해 어떤 원소속의 전자가 엑스선을 방출한 것인지를 알아낸다
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손으로 만드는 동물인형 그림자: 그림자는 동물(또는 동물인형)으로 보이지만, 실제는 사람 손의 그림자다. 3차원으로 볼 때는 사람의 손인지를 알 수 있지만, 2차원 영상인 그림자만 보고서는 손 또는 손가락의 그림자인지 알기 어렵다. 출처: Man vyi가 1889년에 찍은 사진
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[1] 빛의 산란 현상에 의한 결과다.
[2] 상황에 따라서는 지구에서 볼때 별을 가리지 않고 행성이 공전할 수도 있다.
[3] M. Gillon, et al. "Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1," Nature 542, 456 (2017).
[4] A.Teachey and D.M. Kipping, "Evidence for a Large Exomoon orbiting Kepler-1625b," Science Advances 4, eaav1784, 2018
[5] 잘보이는 정도를 투명도라고 하고, 빛이 잘 통과하는 정도를 투과율이라고 한다. 투명도를 투과율과 같은 의미로 사용하기도 한다. 이글에서는 투명하다는 의미를 빛이 잘 통과한다는 의미로 사용하겠다.
[6] Berrington de González A, Darby S., "Risk of cancer from diagnostic X-rays: estimates for the UK and 14 other countries," Lancet. 363, 345, (2004).
[7] Sarah Hagi, "CT-Generations RAD309," https://www.kau.edu.sa/Files/0008512/Files/19500_2nd_presentation_final.pdf
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