[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. 한국 축구 대표팀, 월드컵 2차전서 난적 멕시코 0대1 석패
  2. KT&G, 글로벌 100대 혁신기업 4년 연속 선정
  3. 대한민국 경제의 첨병 '선원'의 가치, 씨맨십으로 증명
  4. ”더워도 월드컵은 못 참죠” 월드컵 야외 응원 나선 대전 시민들
  5. "내년부터 10조 지원" 할 일 많아진 충청광역연합, 내실화 숙제
  1. [르포] "짠, 대전한화생명볼파크로!" 선양오크소맥, 한화팬심 저격하다
  2. '영원한 2인자' 고 김종필 탄생 100주년, 중용·통합의 정신 기린다
  3. 천안법원, 보관 중인 돈을 돌려주지 않은 60대 변호사 '벌금 2000만원'
  4. 천안시, 공무원 기후위기 대응 역량 강화 특강
  5. 천안시, '손 씻기·위생관리' 수족구병 예방수칙 당부

헤드라인 뉴스


[세종 문화] 공간·장르의 벽 넘어… `초여름 문화예술 축제` 세종 물들인다

[세종 문화] 공간·장르의 벽 넘어… '초여름 문화예술 축제' 세종 물들인다

클래식 공연장에서 록과 인디 음악이 울려 퍼지고, 실을 뽑던 공장 건물에서 지역 예술가들의 작품이 관람객을 맞는다. 세종시가 6월 말 공간과 장르의 경계를 허무는 두 개의 문화예술 행사로 시민들을 찾아간다. (재)세종시문화관광재단(대표이사 박영국)은 재단 설립 10주년을 맞아 공연장과 갤러리를 무대로 다채로운 문화예술 콘텐츠를 선보이며, 세종 문화예술의 확장 가능성을 모색한다. 세종예술의전당에서는 세종 보헤미안 페스티벌의 극장형 공연인 '세종 보헤미안 스테이지'가 27일 개막하며, 조치원 1927 아트센터 내 갤러리 '실'에서는 지..

단양, 낚시축제로 여름 관광객 맞이… 지역상권 활력 기대
단양, 낚시축제로 여름 관광객 맞이… 지역상권 활력 기대

단양군이 여름철 관광 활성화와 지역경제 회복을 위해 전국 규모의 낚시 축제를 선보인다. 전국에서 모이는 선수와 가족, 동호인들로 인해 숙박업소와 음식점, 관광지 이용객 증가가 예상되면서 지역 상권에도 긍정적인 효과가 기대되고 있다. 군은 오는 7월 4일부터 5일까지 단양강 일원에서 '2026 단양강 피싱 페스티벌'을 개최한다. 이번 행사는 수상 레저와 생태관광, 낚시 체험을 결합한 체류형 관광 프로그램으로 운영된다. 행사에서는 최근 인기를 얻고 있는 스포츠피싱 프로그램이 먼저 진행된다. 카약을 이용한 민물고기 낚시 행사는 7월 4일..

한국 빛낸 해외무용스타들 귀환…음성서 춤으로 만난다
한국 빛낸 해외무용스타들 귀환…음성서 춤으로 만난다

음성군이 세계 무대에서 활약하는 한국인 무용수들과 해외 정상급 무용단을 한자리에 모아 국제 수준의 무용 공연을 선보인다. 군은 7월 29일 음성문화예술회관에서 해외무용스타 초청공연 'K-발레 스타 스페셜 갈라'를 개최한다고 밝혔다. 이번 공연은 세계 최고 권위를 자랑하는 파리 오페라 발레를 비롯해 독일 라이프치히 발레단, 드레스덴 잼퍼 오퍼 발레 등 해외 주요 발레단에서 활동 중인 한국인 무용수와 외국인 무용수들이 함께 참여한다. 또 일본 최정상 부토(Buto) 무용단과 포르투갈을 대표하는 Vortice Dance Company 등..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 여름철 풍수해 대비 장비 점검 여름철 풍수해 대비 장비 점검

  • 수족구 예방…‘꼼꼼하게 손 씻어요’ 수족구 예방…‘꼼꼼하게 손 씻어요’

  • 접시꽃에 담긴 여름 접시꽃에 담긴 여름

  • 임직원들이 함께 즐기는 월드컵 임직원들이 함께 즐기는 월드컵