빛의 여행 1. 나는 자외선이다
나는 자외선이다. 한여름에는 여성들이 나를 무척 싫어해서 나를 막으려고 선크림을 바르고, 자외선 차단 얼굴 마스크 등으로 철저하게 방어한다.
나는 빛의 한 종류야. 내 형제들 중, 위로는 가장 힘센 큰형 감마선, 그리고 둘째 X선 그리고 나 자외선이 있어.
내 아래 형제로는 여러분의 눈에 보이는 가시광선, 그리고 여러분이 건강을 위하여 찜질방, 한의원에 갔을 때 근육회복을 위하여 활용하는 적외선, 그리고 약한 전파들인 마이크로파, 라디오파등이 있지.
여러분이 듣고 있는 라디오 전파도 사실은 빛이야!
나의 모든 형제들은 빛의 세기에 따라 구분된 것이자. 감마파가 가장 힘이 세고 라디오파가 가장 약하다.
사실 비유하면, 감마파는 어마어마한 괴물이고, 나 자외선은 그래도 힘센 코끼리 정도, 그리고 가시광선은 너희 인간 정도, 그리고 적외선은 반려견, 그리고 적외선은 작은 곤충정도지.
하지만, 우리 모두는 태양표면에서 별도로 출발해서, 초속 299,792Km로 1억 5천만 킬로를 1분 20초 만에 지구에 도착했어. 빛의 세기가 다르다고 해도, 진공 속에서는 모두 동일한 빛의 속도로 이동하지.
사실 나는 빛의 알갱이인 광자지. 질량이 0이고 상상할 수 없을 정도로 작은 알갱이지.
빛의 알갱이는 어느 정도 많을까?
요즘 날씨는 정말 강렬한데, 손톱만 한 크기에 약 10만조 개의 빛의 알갱이가 쏟아진다고 하니, 인간이 이해할 수 없는 규모지.
사실 수많은 논쟁으로 빛의 본모습을 아주 작은 점인 입자라는 설과, 아니면 물결처럼 파동이라는 파동설이 있지만, 지금은 입자이자 파동이라고 하는 입자파동설이 유력하고 증명이 어느 정도 되었어.
입자파동설을 은유적으로 표현하면 직선으로 달리지만, 춤을 추면서 달리는 것이지. 현대의 양자 역학과도 관련이 있어. 빛을 전자기파라고 하지.
즉 전기와 자기의 혼합이라고 하는 것이지. 나는 빛인데 빛은 전기도 되고, 또 자기도 되는 것이지. 은유적으로 말하면, 전기와 자기가 춤을 추면서 이동한다고 할까? 반드시 그런 것은 아니지만, 전기는 수평방향으로 자기는 수직방향으로 서로 강렬하게 춤을 추면서 초당 30만 킬로를 이동하지.
진공 속이면 빛은 이와 같이 춤추는 에너지로 영원히 죽지 않고 자체 발전하면서 이동하는 것이야. 즉 빛은 죽지 않고, 사물을 만나면 변 할 뿐이지.
진공 속에는 방해하는 것이 전혀 없어서 빛이 산란되거나, 흡수되지 않아서, 원래 가지고 있는 빛의 에너지로 계속 전진하는 거지.
빛이 태생적으로 자기 및 전기적 성격이 있어서, 초속 30만 킬로의 에너지를 안고, 영원히 달리게 되어있어.
그리고 이 속도가 모든 우주적 거리 계산의 표준치야. 별들의 거리는 광속으로 몇 년, 아니 예를 들면 은하 같은 경우는 몇억 년 걸리는 가? 등으로 표시해.
최근 발견된 가장 먼 은하는 MoM-z14로 우주 팽창 고려해서 460억 광년이라고 해. 빛의 속도로 460억 년이라니! 우주란 인간이 상상을 초월한 크기고, 인간도 그것을 계산해 낼 정도니!
최근에 빅뱅 때 인 138억 년 전에 발생한 우주 배경 복사파를 (CMB-Cosmic Mircrowave Backgrond) 발견했어.
전기 자기 빛이 동일체란 것을 확립하기까지 많은 시간이 걸렸는데 대표적으로는 전력시스템의 원조격인 페러데이가 발견한 페러데이 법칙 그리고 빛과 자기와 전기가 동일체이며 수학적으로 증명한 멕스웰 방정식이 있지만, 나중에 빛의 역사에서 한번 언급할 거야.
아인슈타인은 인류의 역사를 맥스웰 이전과 이후로 나눌 수 있다고 말했지.
성경책에는 태초에 빛이 있다고 했는데, 사실은 태초에 전하가 있었다가 맞아. 엄밀히 말하면 빛은 전하 충돌의 결과물이야.
나의 아버지는 사실 수소이지. 가장 가벼운 공기이고 우주의 대부분을 차지하고 있는 양자 1개와 전자 1개인 가장 단순한 공기지. 사실 태양과 같은 별들은 수소 구름들이 중력에 의해서 뭉쳐서 만들어졌어.
중력에 의해서 수소 구름들이 지속적으로 뭉쳐지면, 가장자리 온도는 1500만도 이상으로 올라가고, 이상태면 수소 전자가 떨어져 나가 플라즈마 상태로 되지. 그래서 수소 핵들, 즉 양자들이 어마어마한 압력과 밀도로 밀집되어 결국 마지막에 핵융합이 발생한다고 해.
비유하면 수소핵인 양자( 남자) 들끼리 엄청 밀집되어 있는 데, 어떻게 융합되지? 그런데 남자들끼리 너무 밀집되다 보니, 이중에 자주 희박한 확률로 몇 개의 양자 (남자)가 중성자(중성)로 변해 버린다고 해.
원래는 남자끼리는 서로 밀어내는 쿨롱 힘이 작용해서 융합이 안되는데, 너무 밀집되니 견디다 못한 몇 개의 핵이 이 터널을 뚫고, 베타붕괴를 일으켜서 중성자가 되지.
< 태양의 핵 Core에서만 핵융합이 일이남)
지금 나를 소개하는 신피질은 왜 태양 및 별들이 수소핵융합인데 연쇄 반응을 일으켜서 한꺼번에 폭발하지 않고, 100억 년 이상을 계속 쉬지 않고 폭발할 수 있는가?라는 것을 매우 궁금했는데, 사실 양자끼리 뭉쳐있다가, 양자들 중 매우 낮은 확률로, 쿨롱의 장벽을 넘어서 베타 전환을 한다는 것을 이번에 알게 됐지.
마치 지금 원자로에 핵연료를 조금씩 넣는 것과 동일한 원리지. 즉 태양 포함 별은 정말 기적처럼 정교하게 잘 짜인 수소 핵융합 발전소이기 때문에 100억 년의 삶을 사는 것이지.
물 한 컵 (약 200mL)에는 수소 원자가 1.3X 10 25 승개의 수소 원자가 있고, 태양은 지구 보다 질량이 33만 배 크기 때문에 상상할 수 없는 수소를 보유하고 있어.
결국 그래서 이 양자와 중성자들이 결합하여 핵융합을 발생한다고 해. 한마디로 강력한 수소 폭탄을 만든다고 해.
즉 태양 안쪽 밀집된 20% 정도 부분에서 이 처럼 강력한 핵융합이 발생하는 데, 1초에 약 900억 개의 핵폭탄이 터지고, 거기서부터 우리가 발생해.
원래 처음에 핵폭탄이 터질 때는 어마어마하게 힘이 센 감마선이 대부분이지. 그런데 핵 내부에서 표면까지는 엄청난 밀도와 수많은 자유전자와 핵들이 가로막혀서, 뚫고 나오지 못하고, 감마선이 다른 전자나 핵에 산란되고 막혀서, 다시 되돌아오고, 그래서 점차 파장이 변해진다고 해.
수없이 옆으로 뒤로 왔다 갔다 하는 과정을 겪는 동안 빛이 약해져서 태양 표면에 도착할 때 거의 10만 년에서 100만 년이 걸린다고 해.
그때는 대부분 힘을 잃고, 자외선인 내가 7%, 인간인 너희 가 볼 수 있는 가시광선이 43%, 그리고 적외선이 49% 비중이야. 사실 감마선도 조금 도착한데, 그 양이 너무 적어서 거의 0이라고 할 수 있지.
나는 시실 지구에 도착할 때는 약 7% 정도이지만, 실질적으로 오존 층이나, 대기 등으로 걸러져서 실질적으로 대지에는 약 3~4% 수준의 비중이지.
사실 사람들은 적외선 자외선 가시광선이 한 개의 광자의 스팩트럼이 있는 줄 알았는 데, 그게 아니고, 모든 빛은 태양 내부에서 생성되었고, 별도로 탄생되고, 각자 오는 데, 그것을 집계를 해보니 빛의 형태 분포가 생기는 것이지.
우리 세포나 돌멩이 하나하나가 알고 보면 같은 것이 하나도 없듯이, 그 수많은 광자들도 결국 태생이 모두 다르고, 또 종류나 힘의 세기도 다르지만, 편의적으로 인간들, 즉 과학자들이 구분을 한 것이지.
자외선인 나는 지구에 많이 도착하는 빛 중에 가장 센 빛이지. 빛은 파장에 따라 구분하지, 파장은 파동의 거리인데, 물결칠 때, 이번 물결과 다음 물결 사이의 거리라고 보면 되지.
파장으로 보면, 감마선이 0.01nm이하, 엑스선이 0.01~10 nms, 자외선이 10~400nm, 인간이 볼 수 있는 가시광선이 400~700nm, 적외선이 700nm~1mm, 마이크로파 1mm~1m, 그리고 라이오파가 1m 이상.
머리카락 두께가 약 100,000nm이니, 길이를 짐작할 수 있을 거야.
그런데 파동 속도 관계식을 보면 빛의 속도= 파장 x 진동수. 빛의 속도가 일정하게 30만 KM이니, 파장과 진동수는 서로 반대적 성격을 띠고 있지. 즉 파장이 짧으면 진동수가 커지고, 파장이 길면 진동수가 작아지지.
그래서 파장이 매우 작은 나 자외선은 진동수가 엄청 크고, 진동수가 엄청 크니, 강력하게 사물을 통과하게 되지. 마치 엄청나게 회전이 빠른 전동 드릴을 생각하면 쉽게 이해가 될 거야. 그것이 나야
즉 나는 3가지로 분류되는 데, 파장이 가장 작아 진동수가 큰 UV-C(100~280nm)는 오존 층에서 걸러지고,
UV-B (280~315nm)는 오존층을 일부만 통과 (5% 미만)되는 데 피부 화상이나 DNA 손상을 유발하지.
그리고 가장 약한 UV-A(315~400nm)는 지표 자외선의 95% 이상인데 피부 노화 나 색소 침착을 유발해.
최근에선 자외선 지수(UVI)에 매우 민감하지.
여름에는 자외선 지수가 높지. 그것은 여름은 북반구가 태양 쪽으로 기울어져서 지구와 태양과 거리가 가까워지고, 태양이 지구의 정면에 뜨고 일조량이 많아서야. 즉 자외선을 차단하는 오존층과 대기층이 짧아지기 때문에 더 많은 자외선이 땅에 도착하지.
자외선은 구름이 있어도 최대 80%까지 투과가 되고, 모래 눈 물 등은 자외선을 반사시켜서, 강도를 2배 이상 높이기 때문에 햇빛 쨍쨍 비출 때, 스키장이나 해수욕장에는 선크림과 선글라스로 피부나 눈을 보호해야 되지.
또 고도가 높은 산등에는 자외선 강도가 더 강해진다고 해.
자외선 지수를 보면 0~2는 거의 위험이 없어, 안전한 야외 활동이 가능하고, 3~5는 장시간 노출 시 피부 손상 이 일어나. 6~7인 경우는 자외선 지수가 높아서 20~30분만 노출되어도 피부에 손상이 발생되니 자외선 차단제나 모자 긴팔 옷 및 그늘을 적극 활용해야 한데.
자외선 지수가 11 이상이면 위험하며 가능하면 실내 활동을 해야 한다고 해..
한국의 여름철 자외선 지수 UVI는 8~10 수준이고, 겨울에는 2~3 수준으로 강도가 낮지.
자외선 지수는 단순한 햇빛의 강도가 아니라 실제로 자외선 파장별 세기와 인체 피부에 미치는 영향을 계산한 자료야.
자외선 파장을 측정하고, 파장별 피부 민감도를 적용해서 일정한 면적을 적분해서 0~15 정도로 표기하는 데, 적도나 고산지대 남극 오존홀에서는 20 이상도 관측되지.
빛을 소개하려면 책 한 권 이상이어야 하는 데, 너무 많은 것을 한꺼번에 하면 안 되니, 자외선은 여기서 끝내야 할 듯해.
다음번에는 햇빛과 건강을 학습하려고 해 ~
