[사이언스칼럼] 진공의 힘

  • 오피니언
  • 사이언스칼럼

[사이언스칼럼] 진공의 힘

손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원

  • 승인 2024-10-17 17:29
  • 신문게재 2024-10-18 18면
  • 임효인 기자임효인 기자
clip20241017101930
손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원
물질이 어떻게 이루어졌는가에 대한 논의는 매우 흥미로워 아주 오래전부터 인류에게 있어 중요한 주제가 되어왔다. 기원전 5세기경 그리스에서는 물질이 물, 불, 흙, 공기의 4원소로 이루어져 있다는 4원소설이 제기됐다. 당시 지금의 원자설과 유사하게 물질은 눈에 보이지 않는 아주 작은 입자들로 구성된다는 고대 원자설도 있었지만, 4원소설에 밀렸다고 하니 흥미로운 이야기다.

이 고대의 원자설은 돌턴(John Dalton)이 약 1800년대 원자설을 다시 제기할 때까지 거의 2000년 가까이 정론과는 거리가 먼 주장으로 받아들여졌다. 현대에 와서는 양성자와 중성자, 전자와 같이 매우 작은 소립자의 세계를 탐구하게 되면서 원자라는 것에 원자핵이 존재하고, 그 주변에 전자가 구름처럼 확률론적으로 퍼져있는 구조를 가짐을 밝혀냈다.

흥미로운 점은 원자핵과 전자가 퍼져있는 곳 사이에서는 비어있는 공간이 존재한다는 것이다. 이렇게 비어있는 공간은 그 어떤 물질도 존재하지 않아 어떤 의미에서는 진정한 진공이라고 부를 수도 있을 것이다(물론 엄밀하게는 아니지만). 재미있게도 진공 역시 고대 그리스에서 논의됐으며, 아리스토텔레스와 같은 학자는 자연적으로 진공을 만들어낼 수 없다고 믿었다고 한다. 이러한 주장 이후로도 수많은 사람들이 진공의 존재를 탐구했지만, 진공을 실제로 만들어 내는 것은 아주 오랜 시간이 걸렸다.

진공을 만드는 것과 관련된 문제의 시작에는 다양한 설이 있지만 간단히 소개하면, 1600년대에는 물 펌프로 우물이나 광산에 고인 물을 끌어올렸는데, 이상하게도 10m를 넘어서는 깊은 곳에서는 물을 끌어올릴 수 없었다고 한다. 이 문제는 결국 당대 유명한 과학자였던 갈릴레오에게도 전달되었으며, 1644년 갈릴레오의 제자였던 토리첼리(Evangelista Torricelli)가 이 문제를 해결하는 과정에서 진공을 확인한 실험이 이루어지게 된다.

토리첼리의 실험은 간단하다. 약 1m의 유리관을 수은으로 가득 채운 뒤, 손가락으로 열린 끝을 막는다. 이후 유리관을 뒤집어 수은이 담겨있는 그릇에 열린 끝을 집어넣은 뒤 손가락을 떼기만 하면 된다. 이렇게 하면 관 속에 차 있는 수은의 무게에 의해 수은이 내려오는데, 이때 수은은 약 760mm에서 더 이상 내려오지 않았다. 이 실험을 통해 그는 유리관 안쪽에 수은이 내려가면서 만들어진 공간이 진공 상태가 된다고 추측했고, 수은의 높이 760mm는 대기압과 평형을 이루는 압력이 만들어지는 높이라고 주장했다.

특히, 수은과 물의 밀도 차이가 약 14배가 나는데, 수은의 높이가 0.76m인 것을 고려하면 물을 10m 이상 끌어올릴 수 없는 것도 정확하게 설명할 수 있는 것이다. 이 실험은 최초로 진공을 증명한 사례였다. 현대의 우리는 이 실험을 기리며 압력을 나타내는 단위로 토리첼리의 이름에서 딴 토르(Torr)를 사용하고, 1기압에 해당하는 압력을 수은의 높이에 해당하는 760토르로 정의하게 된다.

이후 1650년대 오토 폰 게리케(Otto von Guericke)는 진공이 가진 어마어마한 힘을 세상 사람들에게 보여주었다. 반구 형태로 만든 놋쇠 그릇 두 개를 붙인 뒤 본인이 발명한 진공펌프를 이용해 내부를 진공으로 만들었다. 반구 형태의 놋쇠 그릇 두 개는 내부에 공기가 차 있으면 아무런 힘도 들이지 않고 양쪽을 당겨 쉽게 분리할 수 있다. 하지만 내부가 진공인 놋쇠 그릇을 서로 떼어내려고 하니 양쪽에 말 여덟 필씩을 묶어 당겨야 겨우 분리가 될 정도로 매우 강한 힘이 필요했다고 하니, 이를 본 당시 사람들이 얼마나 놀라웠을지 상상이 되는가?

이후로 진공을 만드는 기술은 계속 발전해 현대에는 날개를 이용해 주기적으로 공기를 밀어내는 로터리 베인 펌프, 터보 펌프와 같은 기계적인 방식부터 모든 기체를 얼어붙게 만드는 극저온 펌프, 기체를 이온화한 뒤 포집하는 이온 펌프와 같이 다양한 초고진공 기술이 개발돼 사용되고 있다. 이러한 진공기술은 현대 기술에 있어 무척 중요하다. 점점 고도화되는 나노 반도체 소자를 제작하기 위해선 공정 과정에서 오염 요인을 모두 제거해야 하는데, 이때 바로 진공의 힘이 필요한 것이다. 손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원

중도일보(www.joongdo.co.kr), 무단전재 및 수집, 재배포 금지

기자의 다른기사 보기

랭킹뉴스

  1. 청양고추구기자축제 건고추 '품질 논란'···비세척·미건조 상품 판매
  2. 천안시 동남구, 세무공무원 재산세 실무역량 강화나서
  3. 천안시의회 건도위, 부산 벡스코서 스마트도시 전략 모색 나서
  4. 천안서북소방서, 추석 명절 대비 성환이화시장 현장지도점검 실시
  5. 천안시, 아동학대예방위원회 정기회의…중대사건 재발 방지책 논의
  1. 천안보호관찰소, 호두 수확 농촌일손돕기 사회봉사
  2. 천안미래새마을금고, 천안시 입장면 취약계층 후원금 500만원 기탁
  3. 천안시, '다함께돌봄센터 2호점' 수탁기관에 유소년스포츠지도자협회 재선정
  4. 천안서북소방서, 초등 3학년 295명 맞춤형 실습 진행
  5. 천안시, ‘보육정책 총괄추진단’ 회의…야간·24시간 돌봄 등 논의

헤드라인 뉴스


"빵축제와 와인엑스포를 결합해보자"

"빵축제와 와인엑스포를 결합해보자"

대전 관광 활성화 방안으로 지역 대표축제인 빵축제와 국제와인EXPO(엑스포)의 결합해보자는 제안이 나와 주목된다. 민선9기 대전시가 0시축제 폐지와 함께 지역 대표축제로 빵축제 육성 의지를 보이고 있어 이를 위한 좋은 방안이 될 수 있을지 검토가 필요해 보인다. 최근 여행은 관광 명소를 둘러보는 것을 넘어 지역의 음식과 문화를 함께 경험하는 '식도락 여행'이 중요한 요소로 자리 잡고 있다. 실제 대전연구원이 최근 발표한 '대전의 식도락 관광 활성화 및 연계 방안'연구보고서를 보면 2025년 대전관광공사가 진행한 대전관광 실태조사 결..

시중은행 예금금리 올리며 소비자 모시기... 48조 넘어선 대전 저축잔액 더 오를까
시중은행 예금금리 올리며 소비자 모시기... 48조 넘어선 대전 저축잔액 더 오를까

주요 시중은행이 앞다퉈 정기예금 금리를 올리며 금융소비자 모시기에 한창이다. 기준금리가 최근 두 달간 0.50%포인트 인상한 3%까지 상승한 데 따른 것인데, 금리 매력이 높아지면서 48조 원을 넘어선 대전 저축성예금 잔액도 덩달아 늘어날 전망이다. 13일 금융권 등에 따르면 주요 시중은행은 고객 유치를 위한 예금 금리를 잇달아 올리고 있다. 우선 우리은행의 한 예금 상품은 1년 만기 기준 최고 금리를 연 3.1%에서 3.6%로 0.5%포인트 올렸다. 또 6개월에서 1년 만기 예금의 기본금리도 연 2.1%에서 2.6%로 인상했다...

추석 앞두고 사과·배값 안정세…축산물은 여전히 부담
추석 앞두고 사과·배값 안정세…축산물은 여전히 부담

추석을 보름가량 앞두고 주요 성수품 가격이 품목별로 엇갈린 흐름을 보이고 있다. 사과와 배를 비롯해 배추·양파·마늘 등 일부 농산물은 지난해보다 낮아졌지만, 한우와 돼지고기 등 축산물은 오름세가 이어지면서 소비자들의 장바구니 부담을 키우고 있다. 13일 한국농수산식품유통공사(aT)와 축산물품질평가원, 산림조합중앙회 등에 따르면 지난 11일 기준 사과(홍로·상품) 소매가격은 10개에 2만 2976원으로 전년보다 12.1% 떨어졌다. 배(원황·상품)도 10개 2만 5833원으로 지난해보다 8.2% 낮은 가격을 형성했다. 올해는 생산량..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 추석맞이 대청소…‘거리를 깨끗하게’ 추석맞이 대청소…‘거리를 깨끗하게’

  • 쌀쌀해진 날씨에 긴팔 등장 쌀쌀해진 날씨에 긴팔 등장

  • 인플루엔자 국가예방접종 안내문 부착 인플루엔자 국가예방접종 안내문 부착

  • 코레일, 철도 중심 지역관광 활성화 워크숍 개최 코레일, 철도 중심 지역관광 활성화 워크숍 개최