[사이언스칼럼] 아보가드로 프로젝트와 실리콘-28 동위원소

  • 오피니언
  • 사이언스칼럼

[사이언스칼럼] 아보가드로 프로젝트와 실리콘-28 동위원소

손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원

  • 승인 2024-12-19 16:50
  • 신문게재 2024-12-20 18면
  • 임효인 기자임효인 기자
clip20241219091149
손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원
아보가드로 수에 대해 들어본 기억이 있을지 모르겠다. 일반인에게 낯선 아보가드로 수는 화학과 물리학에서 매우 중요한 자연 상수이다. 아보가드로 수는 탄소-12 동위원소 12그램(g), 즉 1몰(mol)에 들어 있는 탄소 원자의 개수로 정의됐었다. 하지만 측정 기술이 점점 발전하면서 값이 계속 변해왔고, 결국 현대에 와서 아보가드로 수를 정확하게 측정해보자는 일명 '아보가드로 프로젝트'가 진행되었다. 이 프로젝트로 아보가드로 수의 정의가 바뀌면서 1몰에 들어있는 아보가드로 수는 6.02214076×1023개라는 고정된 값이 되었다. 이렇게 복잡한 아보가드로 수는 어떻게 찾아냈고, 우리 생활에 어떤 의미가 있을까?

1860년대 중반 독일의 로슈미트(Johann Josef Loschmidt)는 최초로 아보가드로 수를 정확하게 추정할 수 있는 기초를 제시했으며, 로슈미트가 구했던 값을 아보가드로 수로 나타내면 4.4×1023개로 지금의 값과 약 27% 정도 차이가 있었다. 하지만 당시의 과학기술 수준을 생각하면 굉장히 근접한 수치로, 이 실험은 과학사에 큰 영향을 미쳤다.

이후 약 50년 뒤인 1909년 페렝(Jean B. Perin)은 브라운 운동을 통해 아보가드로 수를 정의하고자 했다. 브라운 운동은 작은 입자가 기체 혹은 액체 안에서 불규칙하게 움직이는 현상으로, 아인슈타인이 제시한 브라운 운동의 이론적 모델을 검증하는 과정에서 아보가드로 수를 계산하게 되었다. 이를 통해 페렝은 6×1023개로 지금의 값에 매우 근접한 아보가드로 수를 얻을 수 있었다.

기술의 발전에 따라 세월이 지날수록 점점 더 정밀한 아보가드로 수가 도출되었지만, 여전히 어떻게 측정하냐에 따라 값이 변할 가능성이 있었다. 이를 해결하기 위해 여러 나라들이 협력해 아보가드로 프로젝트를 진행했다. 아보가드로 프로젝트는 실리콘-28 동위원소로 제작된 단결정 구체를 사용해 실험했다.

여기서 몰과 아보가드로 수의 정의는 탄소-12 동위원소를 기반으로 하는데, 왜 탄소를 실험하지 않았는지에 대한 의문이 들 수 있다. 탄소는 물리적으로 다이아몬드, 흑연, 풀러렌 등 다양한 모습으로 존재해 밀도와 구조가 다르며, 고순도의 탄소-12 동위원소를 얻기 어렵다는 단점이 있었다. 반면 실리콘-28 동위원소는 이미 자연에 92% 이상 존재하고 있으며, 반도체 산업의 발달로 실리콘의 고순도 단결정 성장 기술이 매우 정밀한 수준에 이르렀기 때문에 실리콘을 선택한 것이다.

결과적으로 아보가드로 프로젝트에서 99.9995% 수준의 순도를 가진 실리콘-28 동위원소 단결정을 만들고, 이 단결정을 구체로 가공해 크기, 부피, 질량, 밀도 등을 매우 정밀하게 측정해 아보가드로 수를 6.02214076×1023개로 도출했다. 특히 과학자들은 아보가드로 수의 정확한 측정을 토대로 에너지와 파동의 관계를 나타내는 플랑크 상수값을 정밀하게 측정할 수 있었고, 이때 측정한 플랑크 상수 6.62607015×10-34 줄·초(J·s)를 기본 상수로 고정했다. 이렇게 고정된 플랑크 상수를 이용해 킬로그램을 재정의할 수 있게 됐다. 우리가 무게를 표시할 때 사용하는 그 킬로그램이다. 이를 바탕으로 우리는 이제 킬로그램을 금속으로 만든 킬로그램 원기가 아닌 변하지 않는 자연 상수를 기반으로 정의할 수 있게 된 것이다.

재미있는 사실은 아보가드로 프로젝트에서 사용했던 실리콘-28 동위원소 기반 기술은 양자컴퓨터의 시대에서도 빛을 발할 수 있다는 것이다. 스핀 기반 양자컴퓨터는 자연 상태의 실리콘에 내재된 실리콘-29 동위원소의 핵스핀에 의한 잡음에 영향을 받는다. 그러나 실리콘-28 동위원소는 핵스핀이 존재하지 않기 때문에 잡음이 없으며, 따라서 스핀 기반 양자컴퓨터를 개발하기 위해선 실리콘-28 동위원소의 순도가 매우 높은 기판을 성장시키는 기술이 중요하다. 이렇게 보면 양자컴퓨터의 시대에도 실리콘이 팔방미인으로 활약할 것으로 기대된다. 손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원

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

기자의 다른기사 보기

랭킹뉴스

  1. 중수청 모집 전부터 술렁이는 수사 현장… "베테랑 빠지면 민생수사 어쩌나"
  2. 선도지구 핵심 정보 비공개… 대전시 "과열 방지" vs 신청 구역 "불투명 행정"
  3. 제14대 허태정 대전시장 취임식 준비 분주
  4. [기고] 세종시 '국가산업단지' 미래, 이제 시작
  5. 조상호 세종시장 7월 1일 취임… 비서·참모 라인 윤곽
  1. 충청권 거점대 글로컬 통합모델 나란히 D등급… 구성원 설득 과제로
  2. '반도체 홀대' 충청, 李 정부 장관 인사서도 푸대접
  3. 'T1 vs 한화' MSI2026 결승전 대전에서 성사될까! 페이커 우승컵 가능성은?
  4. [조상호 세종시장 당선자 공약 돋보기] "인구 2배 목표" 교통·복지·민생경제도 손 봐야
  5. 과학분야 연구개발 지역 주권시대…연간 투자규모와 방향 지방정부에

헤드라인 뉴스


닻 올린 민주당 지방권력… 대전 정치지형 변화 `주목`

닻 올린 민주당 지방권력… 대전 정치지형 변화 '주목'

민선 9기 허태정 대전시정을 비롯한 대전시의회와 5개 기초지자체, 구의회가 새로 문을 여는 등 앞으로 대전의 정치지형 변화에 관심이 쏠린다. 더불어민주당이 지방권력을 독차지하면서 곳곳에서 여야 간 충돌이 예상되는 가운데 다가오는 22대 총선을 앞두곤 민주당과 국민의힘 모두 내부 주도권 경쟁이 벌어질 가능성이 높아 보인다. 올 하반기가 시작되는 1일 민주당 중심의 새로운 행정·정치권력이 일제히 닻을 올렸다. 민선 9기 허태정호(號)를 비롯해 5개 구청장과 제10대 대전시의회, 5개 자치구의회도 새 임기에 들어갔다. 권력 지형은 민주당..

한국 月수출 1000억불 새역사… 대전·세종·충남도 힘 보탰다
한국 月수출 1000억불 새역사… 대전·세종·충남도 힘 보탰다

우라나라의 수출이 사상 처음으로 월간 1000억 달러를 넘기며 새로운 역사를 썼다. 월 무역수지 흑자도 처음으로 300억 달러를 넘어섰다. 대전·세종·충남지역에서도 수출 증가세를 이어가며 수출 호조에 힘을 보탰다. 산업통상부가 1일 발표한 '6월 수출입 동향'에 따르면, 지난달 한국 수출액은 전년 동월 대비 70.9% 증가한 1022억 5000만 달러로 집계됐다. 역대 최대치였던 5월 877억 5000만 달러를 한 달 만에 넘어선 것으로, 월간 수출액이 1000억 달러를 넘어선 것은 이번이 처음이다. 이로써 한국은 독일, 중국, 미..

충남 천안 성정지구·성황동·예산 산성지구, 국토부 도시재생사업 대상 선정
충남 천안 성정지구·성황동·예산 산성지구, 국토부 도시재생사업 대상 선정

충남 천안시의 성정지구와 성황동, 예산군 산성지구 3곳이 국토교통부 주관 '도시재생사업' 대상지에 선정됐다. 1일 충남도에 따르면 국토부 도시재생특별위원회는 최근 심의를 거쳐 노후주거지정비 지원사업 대상지로 천안시 성정지구와 예산군 산성지구를 선정했으며, 인정사업 대상지로 천안시 성황동을 선정했다. 도는 이번 공모 선정을 통해 총사업비 697억 원 중 국비 308억 원을 확보했으며, 내년부터 원도심 활성화와 지역 경제 활력을 위한 본격적인 마중물 사업에 착수할 예정이다. 천안시 성정지구에는 총사업비 257억여 원을 투입해 ▲도시계획..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 본격적인 장마철의 시작 본격적인 장마철의 시작

  • 제14대 허태정 대전시장 취임 제14대 허태정 대전시장 취임

  • 여름철 수상안전사고 예방을 위한 생존수영 여름철 수상안전사고 예방을 위한 생존수영

  • 제14대 허태정 대전시장 취임식 준비 분주 제14대 허태정 대전시장 취임식 준비 분주