[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. 대전시, 산업단지 조성 전략 수정할까
  2. [주말사건사고] 폭염 여파 정전에 대전·충남 곳곳서 화재 발생
  3. 대전에 없는 '대전지방중수청'… 출범 전부터 청사 논란
  4. 충남대·공주대 통합 첫단추…14일 단일안 윤곽 나오나
  5. 李정부 5극 3특 성장엔진 산업 발표 코앞…충청권 들러리 되나
  1. 폭염이 만든 풍경…지상은 ‘썰렁’, 지하는 ‘인산인해’
  2. 사상 첫 폭염중대경보… 충청권 35도 안팎 무더위 이어져
  3. 표류하는 제2중경 유치전… 박수현호 정치력 시험대
  4. 허태정 대전시장, 재해취약지역 현장점검 나서
  5. [통(通)하는 충남, 시험대 선 박수현 충남지사의 소통 리더십] ①지천댐 건설을 둘러싼 찬반 갈등 해법

헤드라인 뉴스


李정부 5극 3특 성장엔진 산업 발표 코앞…충청권 들러리 되나

李정부 5극 3특 성장엔진 산업 발표 코앞…충청권 들러리 되나

정부가 5극 3특 국가균형발전 전략에 따라 권역별 성장엔진 산업을 이르면 내달 발표할 전망인 가운데 충청권의 위기감이 커지고 있다. 반도체, AI 등 국가 핵심 산업 투자가 이미 영호남으로 대거 몰리면서 충청권은 들러리 신세가 되는 것 아니냐는 걱정이 앞선다. 반도체 생산 인프라 조성이 골자인 '3대 메가 프로젝트'가 호남으로 집중 배치 됐고 최근 산업통상부 지역 산업단지 AX(인공지능 전환) 지원 사업도 영남 쏠림이 뚜렷하기 때문이다. 이재명 정부 집권 2년 차 굵직한 국책사업 선정이 유독 충청권만 소외되는 기류가 짙어지고 있는데..

주요 시중은행 대출 조이자 주택 매수자 발등에 `불`
주요 시중은행 대출 조이자 주택 매수자 발등에 '불'

주요 시중은행이 주택담보대출 조이기에 나서면서 주택 매수자들의 발등에 불이 떨어졌다. 주택 매수를 위해 계약서를 작성했던 이들은 잔금 날을 앞두고 대출이 가능한 은행을 수소문하며 발을 동동 구르고 있다. 12일 금융권에 따르면 KB국민은행은 10일부터 전국 주택구입자금 목적의 주담대 한도를 기존 6억에서 3억으로 대폭 삭감했다. 시중은행이 주담대 한도를 3억으로 낮춘 건 이번이 처음이다. 당초 수도권을 대상으로 규제했던 금액이 전국으로 확대되면서 대전도 주택구입자금 대출이 최대 3억 원까지 한도가 조정됐다. 생애최초 주택구입자도 포..

충남대·공주대 통합 첫단추…14일 단일안 윤곽 나오나
충남대·공주대 통합 첫단추…14일 단일안 윤곽 나오나

충남대와 국립공주대의 대학 통합 논의가 다음 주 중대 분수령을 맞는다. 정족수 미달로 지난 9일 열리지 못한 충남대 통합위원회가 7월 14일 다시 개최돼 단일 교명과 대학본부 소재지 등 통합신청서에 담길 핵심 사항을 논의한다. 이후 구성원 의견수렴과 학내 심의 절차가 예정돼 있어 통합 추진 일정도 속도를 낼 전망이다. 12일 충남대 등에 따르면 통합위는 지난 9일 오후 제2차 회의를 개최할 예정이었지만 정족수를 채우지 못해 무산됐다. 통합위는 전체 위원 28명 가운데 과반인 15명 이상이 참석해야 회의를 진행할 수 있지만, 이날 참..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 수 년간의 기다림 끝에…허물 벗는 매미 수 년간의 기다림 끝에…허물 벗는 매미

  • 폭염이 만든 풍경…지상은 ‘썰렁’, 지하는 ‘인산인해’ 폭염이 만든 풍경…지상은 ‘썰렁’, 지하는 ‘인산인해’

  • 불법 주차 차량 피해 중앙선 침범 ‘아찔’ 불법 주차 차량 피해 중앙선 침범 ‘아찔’

  • 폭우에 쏟아진 토사로 도로 통제 폭우에 쏟아진 토사로 도로 통제