물질의 자성 {전자의 스핀, 상자성체, 반자성체, 강자성체}

2024.09.06 - [2024 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. 자성의 원인

"자기장의 원인"이 "전류"임을 알게 됐습니다. "전류"란 전하의 흐름, 즉 "전하의 움직임"에 기인하죠. "물질"을 구성하는 "원자", 그 안에는 원자핵과 전자가 있습니다. "보어의 원자 모형"에 따르면 "전자"는 원자핵 주위 "정상 궤도를 따라 움직"입니다. 그 전자의 움직임, "원자 내의 전류"는 "원자를 하나의 자석"으로 만드는 거죠. 이 사실을 통해 과학자들은 자석을 비롯한 여러 가지 물질의 자기적 성질, 자성을 설명할 수 있게 됐습니다.

 

1) 전자의 궤도 운동

물질을 이루는 원자 속 전자는 원자핵 주위를 공전하는 운동, 궤도 운동을 합니다.

 

 

전자가 원자핵 주위를 공전하게 되면 원자핵 주위에 원형의 전류 고리가 생기게 됩니다. 따라서 그에 따른 자기장이 발생해요. 이때 전류가 흐르는 방향은 전자의 이동 방향과 반대입니다.

 

2) 전자의 스핀

물질을 이루는 원자 속 전자는 궤도 운동뿐만 아니라 자전 운동 또한 합니다. 이를 전자의 스핀이라고 해요. 전자의 스핀 역시 전하의 이동과 관련이 있기에 그에 따른 자기장이 발생하게 됩니다.

 

이처럼 물질의 자성의 근본적인 원인은 전자의 운동입니다. 이때 전자의 궤도 운동보다 전자의 스핀이 물질의 자성에 더 크게 기여합니다. 실제 물질을 구성하는 엄청난 수의 원자, 3차원으로 분석해야 할 운동 방향의 가짓수 등 이러한 복합적인 요인이 상호작용하는 결과에 따라 물질의 자기적인 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 스핀이 물질의 자성을 설명하는 단서임을 예측합니다. 이후 스핀에 의한 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 뜨기라는 뜨개질 스킬을 통해 반입자라는 대칭적 개념을 생각해 낸 거예요.

 

디랙의 논문이 발표되자 이론적으로 모순이 없었음에도 대단한 비난과 반발이 일었습니다. 그 대표 주자가 닐스 보어였습니다. 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 받게 됩니다.

 

2. 자성체의 종류

1) 상자성체

 

 

원자는 작은 자석과도 같습니다. 상자성체의 경우에는 외부 자기장이 없을 때, 원자 자석들이 무질서하게 배열돼있다 보니 알짜 자기장이 0이 되어버려 자성을 띠지 않습니다. 그러나 자석을 가까이 했을 때, 원자 자석들이 자석의 자기장 방향으로 약하게 정렬돼요. 이를 자기화 또는 자화라 합니다. 자석의 자기장 방향으로 자화된 상자성체는 자석에 약하게 끌려옵니다. 반면 자석을 제거하면 상자성체의 원자 자석들은 다시 무질서하게 배열되기 때문에 자성을 잃어버립니다. 종이, 백금, 알루미늄, 마그네슘이 대표적인 상자성체입니다.

 

2) 반자성체

 

 

반자성체는 상자성체처럼 외부 자기장이 없을 때 자성을 띠지 않고, 자석을 가까이하면 자화 되고, 자석을 제거하면 자성을 잃어버립니다. 그러나 반자성체는 상자성체와 달리 외부 자기장의 반대 방향으로 자화 됩니다. 따라서 반자성체에 자석을 가까이하면 자석에 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 현상입니다. 

 

초전도체

이외에도 특정 온도 이하에서 반자성 효과를 보이는 물체가 있는데 초전도체가 그런 경우입니다.

 

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

 

youtu.be/JRJWcSdegkA

 

3) 강자성체

강자성체의 경우에는 원자 자석들 각각이 자신의 자기장 방향과 유사한 원자 자석들과 함께 모여 형성된 공동체들의 연합과도 같은데요. 이러한 공동체를 자기 구역이라고 합니다. 

 

 

강자성체는 상자성체와 반자성체처럼 외부 자기장이 없을 때 자성을 띠고 있지 않습니다. 각 자기 구역의 자기장 방향이 제멋대로라서 알짜 자기장이 0이 되기 때문이죠. 이때 자석을 가까이 하면 각 자기 구역의 원자 자석들이 상자성체처럼 외부 자기장과 같은 방향으로 정렬되는데, 자기 구역 내에서 서로 단단히 잡아주는 원자 자석들의 시너지로 인해 자화가 강하게 됩니다. 뭐든 혼자보다는 함께의 힘이 강한 법입니다. 이처럼 각 자기 구역 내에서 원자 자석들 서로가 단단하게 잡아주다 보니 외부 자기장이 제거되어도 자화가 어느 정도 유지됩니다. 따라서 강자성체는 상자성체와 반자성체와 달리 외부 자기장을 제거해도 자성을 잃지 않습니다. 이처럼 혼자보다는 함께했을 때 더욱 뚜렷해집니다. 철, 니켈, 코발트가 대표적인 강자성체입니다. 

 

① 강자성체의 활용, 전자석

왼쪽과 오른쪽의 같은 면적을 지나는 자기력선 수를 비교해보라.

 

이러한 강자성체의 성질을 이용하여 전자석의 자기장 세기를 증폭시킬 수 있습니다. 솔레노이드에 강자성체인 철심을 집어넣으면 자기장이 1000배 이상 강해져요.

 

② 강자성체의 활용, 하드 디스크

하드디스크

 

컴퓨터의 하드디스크에는 데이터가 기록되는 플래터라는 부분이 있는데요. 플래터가 곧 강자성체입니다. 플래터가 회전하면서 헤드에 진입하면, 헤드의 자기장에 따라 플래터가 자화 되는데요. 이 플래터 내의 자화 배치 구조가 곧 데이터입니다. 이때 외부 자기장이 제거되어도 자화가 유지되는 강자성체의 성질 덕분에 플래터에 기록된 데이터는 헤드를 벗어나도 유지될 수 있습니다.

 

 

친구 - S.E.S 

종이 한 장은 쉽게 구부릴 수 있지만, 종이 여러 장이 함께 모이면 강한 인장 및 압축 구조물이 됩니다. 이번 시간에는 함께의 시너지에 대한 물리학을 공부합니다.

 

https://www.youtube.com/watch?v=H2Ljngr7qWs

 

자기 구역 내에서 서로 단단히 잡아주는 원자 자석들, 그 함께의 시너지로 인해 강하게 자화되고 그로 인해 자신의 정체성을 잃지 않는 강자성체. 이처럼 혼자보다는 함께일 때 더욱 강해지고 뚜렷해집니다. 강자성체가 가지는 같이의 가치, 우리의 삶에서도 가치를 발휘합니다.

 

친구, 과거를 추억하고 현재를 위로하며 미래를 응원하는.

 

여름이 지나고 가을이 찾아오면, 한 해의 뜨거웠던 열정이 식어가는 듯하여 마음이 풀어지고 붕 뜨기 쉽습니다. 그럴 때일수록 함께하는 사람이 필요합니다. 그들과 과거를 추억하고 현재를 위로하며 미래를 응원하다 보면 포기하고 싶다가도 큰 용기를 얻게 됩니다. 비록 그들과 함께 해온 시간이 찰나일지라도, 함께의 인연은 찰나의 시간들을 영원으로 강하게 붙들어 매줍니다. 오늘도 물리를 통해 인생을 배웁니다.

 

도전 기출 문제

22년도 수능 물리학1 6번

답: 1번

 

23년도 수능 물리학1 7번

답: 1번