[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. 세종 명학산단, 삼성 8조 투자 본격화…"물 늘리고 땅 넓히고"
  2. 대전 서대전육교서 오토바이 교명주 충돌… 40대 운전자 숨져
  3. 서산 해미읍성의 가을, 전국 가수들의 열창으로 물들였다
  4. 갤러리아 타임월드 매각된다?... 지역 유통업계 '술렁'
  5. 경영악화로 폐업하는 대전서남부터미널
  1. 조합이냐 신탁이냐… 정비사업 어떤 방식이 좋을까?
  2. 더블유렌트카, '2026 예당호 모터 페스티벌' 성료
  3. 미래대응기금 교부세 축소 불안 대전 자치구까지 확산
  4. "김 원초 광천산 아니어도 '광천김'" 대법, 지역서 쌓은 명성 인정
  5. [사설] 이 대통령 지지율 하락은 '민심의 경고'

헤드라인 뉴스


추석 차례상 어디서 장볼까… 시장이 마트보다 8만원 저렴

추석 차례상 어디서 장볼까… 시장이 마트보다 8만원 저렴

추석을 앞두고 차례상 준비 비용을 아끼려면 전통시장이 가장 유리한 것으로 나타났다. 대형마트는 물론 온라인플랫폼과 비교해도 전통시장의 가격 경쟁력이 두드러졌다. 15일 소상공인시장진흥공단에 따르면 9월 첫째 주 전통시장과 대형마트, 온라인플랫폼의 추석 제수용품 28개 품목 가격을 비교한 결과, 4인 기준 차례상 비용은 전통시장이 평균 35만 2553원으로 가장 저렴했다. 대형마트는 43만 2062원, 온라인플랫폼은 37만 367원으로 전통시장보다 각각 7만 9509원(18.4%), 1만 7814원(4.8%) 높았다. 품목별 가격 차..

김민석 첫 대전 방문…민주당 `원팀` 대전 현안 해결 나서야
김민석 첫 대전 방문…민주당 '원팀' 대전 현안 해결 나서야

더불어민주당 김민석 대표가 16일 내전(來田) 하는 가운데 산적한 지역 현안 해결사 역할을 해야 한다는 목소리가 높다. 대전시장과 지역 국회의원 7명 모두 민주당 소속으로 집권여당을 전폭 지지해 준 지역 민심에 보답하는 김 대표의 통 큰 정치를 바라는 것이다. 그의 이번 방문으로 대전시가 이재명 정부 집권 중반 신 성장엔진으로 도약하기 위한 당 차원의 전폭 지원을 견인하는 변곡점이 돼야 한다는 여론이다. 더불어민주당 대전시당에 따르면 김 대표는 16일 대전시청을 찾아 현장 최고위원회의를 주재한 뒤 대전시와 예산정책협의회를 갖는다...

이 대통령 `연임하지 않겠다`는 명확한 입장 밝힐까…추석 앞둔 18일 대국민 기자회견
이 대통령 '연임하지 않겠다'는 명확한 입장 밝힐까…추석 앞둔 18일 대국민 기자회견

이재명 대통령이 추석을 앞둔 18일 오전 청와대 영빈관에서 대국민 기자회견을 연다. 취임 후 일곱 번째 회견으로, 대통령과 더불어민주당이 집권 후 지지율이 급락하는 상황에서 어떤 발언을 쏟아낼지 주목된다. 성기홍 청와대 홍보수석은 15일 오후 청와대 춘추관 기자회견장에서 브리핑을 열고 이 대통령의 기자회견 일정을 밝혔다. 민생·경제와 정치·외교·안보, 사회·문화·기타 등의 분야로 세분화하던 기존 기자회견과 달리 이번에는 정치·외교와 정책·경제 2개 분야에 대한 질의를 받는다. 모두발언과 질의응답, 마무리 발언까지 90분간 진행하겠다..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • ‘사랑의 송편 나눔’…명절 꾸러미 한가득 ‘사랑의 송편 나눔’…명절 꾸러미 한가득

  • 대전 동부소방서, 추석 앞 화재안전 점검 대전 동부소방서, 추석 앞 화재안전 점검

  • ‘대한민국의 情을 보냅니다’ ‘대한민국의 情을 보냅니다’

  • 경영악화로 폐업하는 대전서남부터미널 경영악화로 폐업하는 대전서남부터미널