물질의 자성 {전자의 스핀, 상자성체, 반자성체, 강자성체}

2023.09.11 - [2023 물리학I 톺아보기] - 전류가 만드는 자기장 {암페어 법칙}

전류가 만드는 자기장 {암페어 법칙}

물리학Ⅰ 전개도

판서 조직도

목표 기출 문제

 

15년도 6월 모평 물리1 5번

답: 1번

 

1. 물질의 자성

자기장의 원인이 전류임을 알게 됐습니다. 전류란 전하의 흐름, 즉 전하의 움직임에 기인하죠. 물질을 구성하는 원자, 그 안에 원자핵과 전자가 있습니다. 보어의 원자 모형에 따르면 전자는 원자핵 주위 정상 궤도를 따라 움직입니다. 그 전자의 움직임, 원자 내의 전류는 원자를 하나의 자석으로 만드는 거죠. 이 사실을 통해 과학자들은 자석을 비롯한 여러 가지 물질의 자기적 성질을 설명할 수 있게 됐어요.

 

1) 자성의 원인

물질이 가지는 자기적 성질을 줄여서 '자성'이라 합니다. 물질을 이루는 원자 속 전자는 두 가지 운동을 해요. 하나는 원자핵 주위를 공전하는 운동(=궤도 운동)이고 하나는 전자의 자전 운동(=스핀)이에요.

 

①전자의 궤도 운동

 

전자가 움직인다는 건 원자 내에 전류가 흐른다는 걸 의미합니다. 따라서 전자가 원자핵 주위를 돌면 자기장이 발생하죠. 전류가 흐르는 방향은 전자의 이동 방향과 반대임을 확인하세요.

 

②전자의 스핀

전자 스핀에 의해 전자 주위에 자기장이 생깁니다. 대부분의 물질의 자성은 전자의 궤도 운동보다 전자의 스핀에 더 큰 영향을 받습니다. 이처럼 물질이 띠는 자성의 근본적인 원인은 전자의 운동입니다. 실제 물질을 구성하는 엄청난 수의 원자, 3차원으로 분석해야 할 운동 방향 가짓수 등등 이러한 복합적인 요인이 상호작용하는 결과에 따라 물질의 자기적 정체성이 결정됩니다.

 

디랙의 스핀과 반물질

수학은 자연 현상을 기깔나게 설명하지만, 때로는 자연 현상을 기가 막히게 예측하기도 합니다. 아인슈타인의 블랙홀, 맥스웰의 전자기파를 비롯해 디랙의 스핀과 반물질 역시 수학이 예측해 낸 자연 현상이었죠.

디랙은 자신이 유도한 방정식의 수학적인 해, 이름하여 '전자의 스핀'이 물질의 자성을 설명하는 단서임을 예측합니다. 이후 스핀으로부터 생성된 자기장이 전자의 주변에 형성된 자기장과 정확하게 일치한다는 게 밝혀지고, 디랙의 스핀은 물리학계에 정설로 자리 잡죠. 그러나 뭐니 뭐니 해도 디랙이 남긴 가장 위대한 업적은 반물질의 존재를 예견했다는 겁니다. 반물질은 일상적인 물질과 동일한 물리법칙을 따르지만, 전하가 반대예요. 이들 반물질은 보통 물질과 만나면 쌍소멸을 일으켜 모든 질량이 에너지로 변환됩니다. 그 에너지 밀도는 화학에너지의 무려 100억 배나 된다고 해요. 이론적으로 계산해 보면, 수 밀리그램의 반물질만 있으면 수 톤 정도의 1인 우주선을 달까지 왕복시킬 수 있다고 하니, 반물질을 마음대로 제조하고 사용할 수 있는 시대가 온다면 명왕성 정도쯤은 신혼여행 코스로 고려할 수 있을 거예요.

파멜라 스웬슨 '풍경을 짜는 사람'

디랙은 이 어마무시한 반물질에 대한 통찰을 뜨개질을 통해 얻습니다. 처음에 디랙은 자신이 유도한 방정식이 자꾸 트롤을 해서 멘탈이 나갔어요. 방정식을 아무리 풀어봐도 하나의 해로 깔끔하게 떨어지지 않고, 항상 두 개씩 짝지어 나오는 거예요. 그렇게 고통을 받고 있던 디랙은 어느 날 머리를 식힐 겸 친구 집을 방문합니다. 여느 때처럼 친구와 물리학에 대한 이야기를 소상히 나누던 디랙은 그날따라 친구의 부인이 뜨개질하던 장면이 유독 눈에 밟혔대요. "스웨터를 짤 때 그대로 뜨다가도 거꾸로 뜨기도 하는군."

 

그러고 자신의 집으로 돌아온 디랙은 서로 대칭적인 두 가지 뜨개질법이 같은 스웨터 조직을 짜내듯 서로 대칭적인 입자의 운동이 같은 우주를 구성할 수 있다고 생각합니다. 더 나아가 디랙은 우주 만물이 입자와 반입자의 대칭적인 구조로 구성되었기에 방정식의 해가 항상 짝을 지어 나올 수밖에 없는 것이라고 결론을 내립니다. 즉 디랙은 '거꾸로 뜨기'라는 뜨개질 스킬을 통해 '반입자'라는 대칭적 개념을 생각해 낸 거예요.

닐스 보어의 코끼리를 생포하는 법

디랙의 논문이 발표되자 이론적으로 모순이 없었음에도 대단한 비난과 반발이 일었습니다. 닐스 보어는 '코끼리를 생포하는 법'이라는 우화를 만들어 이 엉뚱한 이론을 냉소적으로 평가했어요. 코끼리들이 물을 마시는 강기슭에 커다란 간판을 세우고 거기에 디랙의 반입자론을 써놓으면 코끼리들을 손쉽게 생포할 수 있을 거라고 했습니다. 왜냐하면 코끼리가 물을 마시러 왔다가 간판에 쓰인 글을 보고 한동안 정신을 잃을 게 분명하기 때문이라는 거예요. 그러나 불과 1년여 뒤, 디랙의 이론을 전혀 모르던 캘리포니아 공과대학 학생이 반입자를 찾아냅니다. 그럼으로써 디랙의 반입자론은 가설이 아닌 정설로 인정되었고, 디랙과 그 공과대학 학생은 노벨상을 받습니다.

 

2) 자성체의 종류

 

①상자성체

원자는 작은 자석과도 같아요. 이러한 원자 자석들이 무질서하게 배열되어 있어서 결과적으로 서로의 자기장들이 상쇄되면 전체적으로 자성을 띠지 않습니다. 상자성체가 그래요. 이 상자성체에 외부 자기장을 걸어주면 원자 자석들이 외부 자기장의 방향으로 약하게 정렬돼요. 따라서 상자성체는 외부 자석에 약하게 끌려옵니다. 반대로 외부 자기장을 제거하면 상자성체의 원자 자석들은 다시 랜덤하게 배열되기 때문에 자성을 잃어버리게 돼요. 이처럼 자기장을 띠지 않는 물체가 외부 자기장에 의해 자성을 갖게 되는 현상을 '자화'라고 합니다.  종이, 백금, 알루미늄, 마그네슘이 대표적인 상자성체입니다.

 

 

②반자성체

반자성체는 상자성체처럼 평상시에 자성을 띠고 있지 않다가 외부 자기장이 있으면 자화되고, 외부 자기장이 사라지면 자성을 잃어버리는 자성체입니다. 그러나 반자성체는 상자성체와 달리 외부 자기장의 반대 방향으로 약하게 자화돼요. 따라서 반자성체는 외부 자기장에 밀려납니다. 금이나 구리, 플라스틱, 유리, 물이 대표적인 반자성체입니다.

 

반자성의 원리

반자성체는 흔히 상자성체와 대조를 이루며 설명되곤 하나, 실제 반자성의 원리는 상자성체의 것과는 판이하게 다릅니다. 반자성은 전자껍질이 가득 차 있는 안정적인 원소를 함유하는 물질에서 나타나는 양자역학적 현상인데요. 쉽게 말하자면 전자 껍질에 전자가 모두 채워져 있고, 그 전자들 각각이 반대의 스핀을 갖는 전자들과 완벽히 짝을 이루게 돼 전체 알짜 스핀이 0이 되는 경우입니다.

 

초전도체

이외에도 특정 온도 이하에서 반자성 효과를 보이는 물체가 있는데 '초전도체'가 그런 경우입니다.

임계 온도 이하의 초전도체에 외부 자기장을 가하면 외부 자기장과 같은 세기, 반대 방향의 자기장이 초전도체 내부에 발생하여 초전도체 내부의 자기장이 0이 됩니다. 이 현상을 '마이스너 효과'라 합니다.

 

youtu.be/JRJWcSdegkA

 

③강자성체

강자성체의 경우에는 자기장 방향이 유사한 원자 자석들끼리 모여서 형성된 각자의 영역이 존재합니다. 이러한 영역을 '자기 구역'이라고 하는데요. 자기 구역들마다 나타내는 자기장의 방향이 제각각입니다. 

강자성체는 이전 자성체들처럼 외부 자기장이 없을 때 자성을 띠지 않고 있습니다. 각 자기 구역마다 나타내는 자기장의 방향이 제멋대로라서 전체적으로 알짜 자기장이 0이 되기 때문이죠. 여기에 외부 자기장을 가해주면 각 자기 구역의 자기장이 상자성체처럼 외부 자기장과 같은 방향으로 정렬됩니다. 다만 강자성체의 경우에는 아주 강하게 자화됩니다. 자기 구역 내에서 서로 단단히 잡아주는 원자 자석들의 시너지가 강한 자화로 나타나는 거죠. 뭐든 혼자보다는 함께의 힘이 강한 법입니다. 이처럼 자기 구역내에서 원자 자석들 서로가 단단하게 잡아주다 보니 외부 자기장이 제거되어도 자기 구역의 자기장 방향이 어느 정도 유지됩니다. 따라서 강자성체는 외부 자기장을 제거해도 자성을 잃지 않습니다. 이처럼 혼자보다는 함께했을 때 더욱 뚜렷해집니다. 철, 니켈, 코발트가 대표적인 강자성체입니다.

 

Let's get together now - 박정현, 브라운 아이즈

https://www.youtube.com/watch?v=0OWjKYutAS4 

뭐든 혼자일 때보다 함께일 때 강해지고, 뚜렷해집니다.

강자성체가 가지는 '같이'의 '가치',

여러분의 삶에서도 가치를 발휘합니다.

 

강자성체의 활용, 전자석

왼쪽과 오른쪽의 자기력선 수를 비교해보라.

이러한 강자성체의 성질을 이용하여 전자석의 자기장 세기를 증폭시킬 수 있습니다. 솔레노이드에 철심(=강자성체)을 집어넣으면 자기장이 1000배 이상 세져요. 

 

강자성체의 활용, 하드 디스크

하드디스크

컴퓨터의 하드디스크에는 정보를 기록하는 부분(=플래터)이 있습니다. 플래터는 강자성체를 씌워 만드는데, 외부 자기장이 제거돼도 자화가 유지되는 강자성체의 성질을 이용하여 기록된 정보를 유지합니다. 플래터에 정보를 기록할 때는 헤드에 있는 전자석으로 강자성체의 자화 방향을 재배열해요.

 

도전 기출 문제

22년도 수능 물리학1 6번

답: 1번

 

23년도 수능 물리학1 7번

답: 1번

 

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