타미플루와 비아그라를 만든 공신, 방사광 가속기 / 이것만 보면 방사광 가속기 이해할 수 있어요!/ 한 학기 물리학 강의 정리

 

요즘 방사광가속기가 핫하다.

내가 과학고를 졸업한 전형적인 공순이(?)라 그런지

과학에 대한 내용이 실검을 차지하고 있으면 그렇게 뿌듯할 수가 없다.

 

가속기에 대한 내용은 자기장 파트의 꽃이라고 할 만큼

일반 물리학에서 정말 중요하게 다루고 시험에도 단골로 출제되는 문제이다.

하지만 내가 가속기에 대해 처음 배웠을 때는

자기장도 뭔지 제대로 이해하지 못했는데

(지금도 그렇지만 눈에 보이지 않는것을 이해하는 것은 상당히 어려운 일이다.)

사이클로트론이나 싱크로트론과 같은 고차원 적인 논의를 한다는 것은

밑빠진 독에 물 붙기나 다름 없었다.

 

방사광가속기 유치로 떠들석하지만

처음 들으면 이게 무슨말인지 도무지 이해하기가 힘들다.

오늘도 과학의 대중화에 조금이라도 도움이 되어보고자

방사광가속기가 도대체 어떤것인지! 왜이렇게 서로 유치하려고 난리인지!

타미플루 & 비아그라와 연관된 (나혼자만) 재미있는 이야기를 들고왔다. 

 

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▶ 방사광가속기?

 

방사광가속기는 원하는 빛을 강하게(밝게) 만드는 장치이다.

빛을 강하게 만들면 이점이 굉장히 많은데 대표적인것이

사람이 눈으로 볼 수 없는 나노 크기의 미세한 물체나 순간적인 변화를

선명하게 관찰할 수 있다는 점이다.

즉, 일종의 ‘슈퍼 현미경’인 셈.

 

4세대 방사광가속기는 빛의 속도에 가깝게 가속시킨 전자가

강력한 자기장을 지나며 휘어질 때 방출되는 빛(방사광)을 얻어낸다.

여기서 얻어진 방사광은 아주 강력해져 물체를 꿰뚫을 수 있다.

이게 대체 무슨말이냐면

 

 

대략적인 원자모형

 

 

일단 모든 물체는 원자(원소)로 구성되어 있다.

우리 몸만 보더라도 물, 탄수화물, 단백질 등으로 이루어져 있는데

얘네들을 자세히 들여다보면 산소, 탄소, 수소 등 개개인의 원소들이 결합한 형태이다.

그리고 모든 원소들은 그림에서와 같이 양성자(그림에서 빨간색 공) + 전자(그림에서 검정색 공)가 기본 단위이다.

 

우리는 다양하게 응용하기 위해 전자의 에너지를 세게, 즉 밝게 하고싶다.

이걸 위해서 똑똑한 과학자들이 찾은 방법이 '입자 가속기'이다.

 

입자 가속기는 양성자나 중성자 같은 입자를 가속시키는 장치를 통틀어 말하는 것이고

방사광가속기는 이 중에서도 전자만을 가속시키는 장치를 말한다.

 

 

 

 

▶ 가속기의 원리

 

위의 그림에서 또 하나 중요한 것이 바로 양성자와 전자의 성질이다.

양성자는 (+) 성질이 있고, 전자는 (-) 성질이 있다.

자석의 (+)극과 (-)극 처럼 되어있기 때문에 전자가 원자핵에 이끌려 이 주위를 돌 수 있는 것이다.

이처럼 자성을 띤 물체에는 자기력이 작용한다.

 

이제 약간의 수학과 물리 법칙이 필요하다.

(정말 궁금한 사람들을 위한 것이니, 예감이 안좋으면 결론만 보고 다음파트로 넘어가는것을 추천한다.)

다음은 가속기의 원리를 이해하기 위해서 필요한 공식들.

 

① F=ma

 

사과가 떨어지는 것을 보고 중력을 발견한 위대하신 Newton님께서 F=ma라고 말씀하셨다. (Newton 제 2법칙)

식을 해석하면 힘(F)은 질량(m)과 가속도(a)의 곱이 되지만

진짜 의미는 '운동의 변화는 가해진 힘에 비례하며 힘이 가해진 직선 방향으로 일어난다'이다.

세상의 모든 현상을 이렇게 이렇게 설명할 생각을 했을까?

 

 

② 커브길에서 튕겨나가지 않는 힘, 구심력

 

원운동을 하는 물체에 작용해서, 원의 중심으로 나아가려는 힘을 구심력이라고 한다.

예를 들어 자동차가 커브길을 돌때 바깥쪽으로 튀어나가지 않는 이유는

자동차 바퀴와 지면사이의 마찰력이 구심력으로 작용하기 때문이다.

 

구심력

 

 

쥐불놀이에서 등속원운동

 

쥐불놀이를 할때에도 이런 힘이 작용하는데

여기에 사용되는 깡통을 입자 가속기의 전자라고 생각하면 된다.

 

정리)

①의 뉴턴 제 2법칙을 ②의 등속원운동에 적용하면 그대로 

뉴턴, 등속원운동 식

라는 식이 나온다.

 

 

③ 자기장에서 원운동할때 전자에 작용하는 힘의 크기

 

속력 v로 자기장 B에 수직하게 원운동하는 전하 q, 질량 m인 입자의 원운동에서 입자에 작용하는 힘의 크기는

자기장에서 등속 원운동

 

결론)

 

사이클로트론(입자가속기), Holliday 일반물리학

 

 

입자 가속기를 간단히 모형으로 나타내면 이렇게 생겼고,

여기서 튕겨나오는 전자는 충분히 가속되어 고에너지를 가진 상태이다. 

 

유럽입자물리연구소(CERN)

 

가속기가 클수록 전자가 튕겨나올때 가지는 에너지가 커지기 때문에

세계 최고의 가속기라 불리는 CERN은 스위스 제네바와 프랑스의 국경에 걸쳐있을 정도로 매우 크며

 

CERN 입자가속기

내부는 이렇게 생겼다.

 

앨리의 설명을 어떻게 신뢰하냐고?

 

Holliday 일반물리학, 사이클로트론

 

중학교 1학년때부터 대학교 1학년때까지 7년간 열심히 계산해봤다.

 

 

 

▶ 그래서 대체 방사광가속기를 어디다 쓰는데?

 

 

방사광가속기를 통해 만들어진 빛은 번개가 치는 순간보다 수십억 배 빠르고

태양빛보다 100경(100조의 1만 배)배 밝은 빛으로 태양빛의 100억x1억 배나 밝은 빛이다. 

빛이 셀 수록 더 작은 세계를 밝게 볼 수 있다.

또한 4세대는 방사광가속기는 펨토초(1천조 분의 1초) 단위의 관찰이 가능하다.

따라서 녹색식물이 빛에너지를 이용해 이산화탄소와 물로부터 유기물을 합성하는 순간과 같이

광합성처럼 빠르게 일어나는 현상도 슬로우모션처럼 자세히 볼 수 있다. 

 

엽록소 광합성

 

방사광가속기를 이용해 과학계와 산업 분야에서는 엄청난 진보가 있었다.

 

물이 왜 4도씨일때는 부피가 가장 작고, 얼리면 부피가 커지는 지는 알고 있었지만

실험적으로 증명할 수는 없었는데 방사광가속기를 통해 이를 증명했고

 

바이러스가 세포막을 뚫고 세포를 감염시키는 순간이나, 물이 수소와 산소로 분해되는 순간도 볼 수 있게 되었다.

비아그라나 타미플루도 방사광가속기를 이용한 관찰을 이용해 개발된 사례이다.

 

현재 구조가 밝혀진 단백질은 전체의 5%에 불과하다.

따라서 4세대 방사광가속기로 나머지 단백질들의 구조를 밝혀낸다면 

비아그라와 타미플루를 능가하는 혁신적인 신약을 만들 수 있을것이며

물리, 화학, 생물 등 기초과학 영역에서 해결하지 못했던 난제들을 풀 수 있을 것이다.

 

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1980년대 이후 노벨상 수상자의 25%가 입자가속기로 실험을 했을 정도로

가속기는 과학의 발전에 엄청난 기여를 해왔다.

 

이미 우리나라도 포항에 직선형 가속기와 원형 가속기를 한 대씩 보유하고 있지만

수요가 많아 포화상태이기 때문에 사용을 위해 신청을 하고 몇 달 이상을 기다려야 한다.

지방자치들이 방사광가속기 유치를 위해 기를쓰고 있는 이유이다.

 

4세대 방사광가속기는 그야말로 첨단기술이다.

역사도 오래되지 않아서 2009년 미국에서 처음으로 만들어졌고 전 세계에서도 보유한 나라가 얼마 되지 않는다.

 

방사광가속기를 만들기 위해서는 

설계에서부터 토목, 건설, 기계가공, 초정밀측량, 전기, 전자, 제어 등에 이르기까지

거의 모든 과학기술 분야에서 세계 정상급이어야 하기 때문에

우리나라가 방사광가속기를 보유한다는 것은 국가기술력에서도 의미가 크다고 생각한다.

 

방사광가속기를 유치하면 6조 원 이상의 수익과 13만 명의 일자리가 생기는 경제적 파급효과도 있다고 하니

4세대 방사광가속기의 건설 후 우리나라의 미래가 기대된다.

 

 

여태까지의 과학 포스팅 중에 제일 공들인 포스팅인것 같네요ㅎㅎ

앞으로 한달동안은 시험기간이기 때문에 이렇게 자세한 내용을 소개하기 보다는

첫사랑을 잊지못하는 과학적인 이유, 첫 눈에 반하는 과학적 이유같은 더 쉽고 재밌는 내용의 글을 쓰려고 해요!^^

 

어려운 내용이었지만 실검에 오랫동안 떠있던 '방사광가속기'를 보고 답답했던 마음이 누그러지길 바라며

앞으로 궁금한 점이 있으면 댓글로 많이 달아주시기 바라요 :)

 

이상으로 오늘의 포스팅을 마칠게요.

총총~~

 

 

새벽 감수성에 젖으니 가슴 뭉클해지지만

뇌리에 박힌 한 마디가 생각나네요.

 

"오늘 그대가 헛되이 보낸 오늘은

어제 세상을 떠나간 이가 그토록 살고싶어하던 내일"

 

- 소설 가시고기 中 -