기름 한 방울이 전자 한 개를 포착하는 모습 촬영 (영상)

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-07-02 19:35:10
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* 밀리칸 실험 현대적으로 재구성
* 떠다니는 방울은 포착한 각 전자에 대해 1mm 더 높이 점프
* 이 실험은 전자를 정량화할 수 있게 하여 거시적 세계에 기본인 물리적 특성을 가져올 수 있어

단일 전자의 흡수 촬영
떠다니는 방울은 포착된 각 전자에 대해 1mm 점프한다.


보이지 않는 것을 가시화 :
물리적인 "마술" 덕분에 기름 한 방울이 개별 전자를 포착하는 것을 볼 수 있으며 심지어 계수할 수도 있다. 떠다니는 방울은 포착한 각 전자에 대해 1mm 더 높이 점프하기 때문이다. 렌즈와 레이저의 특별한 앙상블은 일어나고 있는 것을 육안으로 볼 수 있고 촬영할 수 있다. 

▲ 이 연한 녹색의 떠다니는 물방울은 포착된 각 전자에 대해 1mm 더 높아져서 전자의 양자화를 직접 볼 수있게 한다.

© Javier Tello Marmolejo


전자는 화학 반응, 전기 및 기타 다양한 물리적 현상의 기초다.
미국의 물리학자인 로버트 밀리칸(Robert Millikan)은 1909년 실험에서 전자의 흐름뒤에는 명확하게 정의된 기본 전하를 가진 개별 입자가 있고 이것이 얼마나 높은지를 입증했다. 그 이후로 레이저와 최신 분석 방법은 분자 간의 전하 교환이나 원자의 전자 점프를 훨씬 쉽게 감지할 수 있게 해주었다.

밀리칸의 현대적 실험

그러나 지금까지 한 가지 누락된 것이 있다.
개별 전자의 흡수를 간접적으로 감지할 수 있을 뿐만 아니라 직접 볼 수도 있는 방법이다.
실험은 전자의 작은 크기에도 불구하고 육안으로도 이것이 가능하다는 것을 보여준다.
예테보리 대학의 자비어 마몰레이오(avier Marmolejo)와 그의 동료들은 Millikan 접근법을 모델로 삼아 현대적인 방법으로 개선했다.

"Robert Millikan은 전기장을 통해 수백 개의 기름 방울을 떨어 뜨려 전자의 전하가 양자화된다는 것을 보여주었다"고 Marmolejo는 설명했다. 통계적 평가의 도움으로 그는 방울이 없는 경우와 이 분야에서 다르게 움직이는 것을 증명할 수 있었다. “우리는 이제 레이저를 사용하여 공기 중 한 방울을 공중에 띄우는 이 실험의 최신 버전을 개발했다”고 과학자는 말했다.

모든 전자에서 점프

실험 설정은 렌즈로 초점이 맞춰지고 수직으로 위쪽으로 빛나는 녹색 레이저 빔으로 구성된다. 같은 방향으로 두 개의 전극이 측정 필드 역할을 하는 강한 전기장을 생성한다.
29 마이크로미터의 작은 실리콘 오일 방울이 초점을 맞춘 레이저 광의 초점에 배치된다.
빛의 복사 압력은 물방울을 떠 있는 상태로 유지하기에 충분하다.

이제 결정적인 단계는 다음과 같다.
방사성 아메리슘으로 만든 알파 방출기의 도움으로 연구원들은 개별 전자를 방울에 추가했다. 이것들은 방울에 흡수돼 음전하를 옮겼다. 그 결과, 이 하락은 흡수한 각 전자에 대해 위쪽으로 약간의 점프를 만들었다. 음전하가 증가하면 전기장의 위치가 변경되었다.
▲ 낙하 실험 설정. © Marmolejo et al./ Scientific Reports, CC-by-sa 4.0

눈금자는 전하 흡수를 측정 가능하게 만든다. 

하이라이트 :
이러한 점프는 낮은 배율에서도 인식되고 촬영될 수 있다.
“렌즈로 방울의 이미지를 확대함으로써 우리는 모든 단일 전자의 효과를 관찰할 수 있었고 눈금자로도 측정할 수 있었다”고 Marmolejo는 말했다. 따라서 밝게 비춰진 방울은 흡수된 각 전자에 대해 1mm 더 높게 이동했다. 이로써 개별 전자의 효과를 완전히 새로운 방식으로 정량화 할 수 있다.

<이것은 물방울이 개별 전자를 집어 올 때의 모습이다. © Javier Tello Marmolejo>


“이미 방울 속에 존재하는 약 3.7개의 당구 전자에 하나의 전자만을 추가한다는 사실을 깨달았을 때 이것은 믿을 수 없는 일이다”고 연구원들은 강조했다. 그 효과는 육안으로 볼 수 있다.”
이 실험은 전자를 정량화할 수 있게 하여 거시적 세계에 기본인 물리적 특성을 가져올 수 있게 한다.
(Scientific Reports, 2021; doi : 10.1038 / s41598-021-89714-2)
출처 : The Swedish Research Council

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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