0. 목차
- '전자기파'도 에너지를 전달한다.
- '음파'도 에너지를 전달한다.
1. '전자기파'도 에너지를 전달한다.
지구는 태양과 접촉해 있지 않지만, 태양에 의해 덥혀진다. 이처럼 열이 전해지는 데는 반드시 물체끼리 직접 접촉해야 하는 것은 아니다. 텅 빈 우주 공간을 지나 열이 전달될 수 있는 것은 '전자기파(Electromagnetic Waves)'와 관련되어 있다. 전자기파가 물체에 닿아 흡수되면, 물체를 구성하고 있는 입자인 '전자(Electron)'가 요동한다. 전자기파 중에서 적외선과 마이크로파는 전자를 통해 분자 전체를 요동시키고, 물질의 온도를 올리는 작용을 한다. 이처럼 열은 전자기파에 의해서도 전해진다. 실제로 전자기파는 에너지를 가지고 있다. 예컨대, 돋보기로 빛을 굴절시켜서 한점에 모으면, 검은 종이를 태울 수 있다. 그리고 전자레인지는 전자기파의 무리인 '마이크로파(Microwave)'를 물체에 비추어 내부의 물 분자를 진동시킴으로써 물체를 가열할 수 있다.
그리고 전자기파를 통해 열이 전달되는 것과 반대되는 과정도 있다. 모든 물체는 그 온도에 따른 파장의 전자기파를 방출하고 있다. 이것을 '열 복사(thermal radiation)'라고 한다. 일반적으로 물체의 온도가 높을수록 파장이 짧은 전자기파의 성분이 많이 복사된다.
1-1. 전자기파는 그 진동수로 공명을 일으키는 물질에 흡수된다.
물질의 투명·불투명은, 전자기파를 통과시키는지 아닌지에 따라 결정된다. 예컨대 유리는 '가시광선(Visible Rays)'을 통과시키지만 '원적외선(Far Infrared Ray)'이나 '자외선(Ultraviolet Rays)'은 별로 통과시키지 않는다. 그 차이는 '물질'과 '전자기파의 진동수'의 '상성(성질이 서로 맞음)'에 따라 결정된다.
일반적으로 물질에는 '고유 진동수(흔들리기 쉬운 진동수)'가 있다. 물체에 '고유 진동수'와 같은 진동수를 가진 파동이 닿으면, 물체는 고유 진동수로 진동을 하기 시작한다. 이것을 '공명(Resonance)'라고 한다. 유리의 분자에도 복수의 고유 진동수가 있으며, 그들 진동수가 전자기파에서는 원적외선과 자외선 영역에 해당한다. 유리에 원적외선 또는 자외선이 닿으면, 유리 분자는 공명을 일으켜 원적외선 또는 자외선의 에너지를 흡수해 진동을 시작한다. 마침내 원적외선 또는 자외선은 유리에 완전히 흡수되고 그 에너지는 열이 되어 유리의 온도를 올린다.
한편, 유리에 가시광선이 닿은 경우, 유리 분자는 공명을 일으키지 않는다. 가시광선은 유리 분자에 '흡수'되었다가 순식간에 '재방출'되는 과정을 되풀이해 유리 속을 나아간다. 물질을 통과하는 전자기파의 속도가 진공 속에 비해 느려지는 것은 이 과정 때문이다.
1-2. 물체의 색깔은 어떻게 결정될까?
조명이나 디스플레이처럼 스스로 및을 내는 것이 아닌 한, 우리가 그 물체를 보려면, 어떤 광원에서 나온 빛을 그 물체가 반사해야만 한다. 하지만 태양이나 조명은 여러 가지 색의 성분을 가진 '백색광(White Light)'이다. 그 반사광을 보는데 왜 물체는 백색이 아니라 다종다양한 색으로 보일까?
사실 물체의 다양한 색은 일반적으로 빛의 흡수와 반사가 만들어 낸다. 예컨대 식물의 초록색 잎은 광원에서 나온 백색광 가운데 '초록색 이외의 빛'을 흡수하고 '초록색 빛'만 반사하기 때문에 초록색으로 보이는 것이다. 초록색 잎의 경우, 흡수된 빛의 에너지는 '광합성'에 이용된다. 일반적인 물질에 흡수된 빛의 에너지는 물체의 온도를 올리는 데 사용된다. 그러면 반투명 물체의 색은 어떨까? 예컨대, 붉은색 반투명 물체는 왜 붉은색 반투명으로 보일까? 붉은색 반투명 물체는 붉은색 빛만 투과시키기 때문이다.
2. '음파'도 에너지를 전달한다.
2-1. 체외 충격파 쇄석술
몸속에 생긴 결석을 제거하기 위해, 수술없이 몸 밖으로부터 '음파(매질을 통해 매질 내의 압력 혹은 스트레스가 진동하며 전파되어 나가는 파동)'를 비추어 결석을 파괴할 수 있다. 그러면 어떻게 음파로 결석을 파괴할 수 있을까? 그것은 바로 파동이 에너지를 운반하기 때문이다. 음파는 왜곡이나 압력의 변동으로 전달되는 파동이며, 음파가 전달되면 그 물체에는 '압력 변동(pressure fluctuations)'이 일어난다. 강도가 강한 음파에서는 이 '압력 변동'이 커진다.
결석을 파괴하려면 우선 음파의 일종인 '충격파'를 발생시킨다. '충격파(Shock Wave)'는 '성김'과 '빽빽함'의 차이가 매우 큰 파동이다. 이 충격파를 한 점에 집중시키면, 초점에 있는 결석이 심하게 진동한다. 마침내 결석은 진동을 견디지 못하고 부서진다. 이것은 정확히 빛 돋보기에 모으면 물체를 태울 수 있는 것과 비슷한다. 이것은 빛을 돋보기에 모아 물체를 태울 수 있는 것과 비슷하다.
아래의 그림은 '성김'과 '빽빽함'의 차이가 매우 큰 '충격파'를 한 점에 비추어 몸속의 '요로 결석(Urinary Stone)'을 파괴하는 '체외 충격파 쇄석술(Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy)'의 메커니즘이다. 몸 밖에서 충격파를 쏘아서 몸속의 결석을 파괴하는 이 기술은 1990년 무렵에 '개복 수술'을 대신해 확산되었다. 우선 돌의 위치를 X선이나 초음파로 확인한 뒤, 충격파를 집중시키기를 되풀이해 결석을 파괴한다. 충격파는 강해지면서 몸속에 전해져 한점에 모인다. 그리고 결석을 심하게 진동시켜 파괴되면, 잘게 부서진 결석은 소변과 함께 배출된다.
2-2. 초음파 세정기
소리의 에너지를 사용한 기술은 '체외 충격파 쇄석술' 외에도 또 있다. 예컨대 안경점에 있는 '초음파 세정기(ultrasonic cleaner)'는 안경의 미세한 더러움을 없앨 수 있다. 세정액에 강한 초음파가 전달되면, 초음파의 압력에 의해 미세한 기포가 생겼다가 사라지는 '캐비테이션(cavitation phenomenon)' 현상이 발생한다. 고압의 상태에서 생성된 기포가 터지면서 엄청난 에너지가 나오는데, 이때 캐비테이션의 에너지는 매우 강력하여 모든 방향으로 퍼지고 피세정물의 표면뿐만 아니라 구석 및 미세 구멍까지 철저히 침투하여 세척된다.
2-3. 그러면 보통의 소리는 왜 물체를 파괴하지 못할까?
그러면 보통의 소리는 왜 물체를 파괴하지 못할까? 사실 우리가 말하는 목소리도 물체에 부딪칠 때 그 물체를 진동시킨다. 다만 주위의 소리로는 물체가 아주 미세하게만 진동하므로 사람이 느끼지 못하는 것이다. 바꿔 말하면, 사람의 귀는 미세한 에너지밖에 가져오지 않는 소리를 뛰어난 소리로 느끼는 것이다.
그런데 실은 드물기는 하지만 자연계의 소리가 사물을 파괴하기도 한다. 예컨대 일본 미야자키 현과 가고시마 현에 걸쳐 있는 '신모에 산'이 2011년 2월 초순에 화산 폭발 했을 때, '공진(Resonance)'이라는 큰 충격파가 발생했다. '공진'은 '신모에 산'으로부터 3~4km 떨어진 건물의 유리창을 파괴하고 또 나가사키 현에서도 유리창을 뒤흔들었다. 마치 강풍이 불 때처럼 소리가 유리창을 망가뜨린 것이다.