1.피다만 무궁화  

1990년 어느 잡지사에서 조사한 노벨상에 가장 근접한 한국인이 누구냐는 질문에 많은 과학자들이 '이휘소처럼 노벨상에 가까이 가 본 사람이 없다.'고 했습니다. 이휘소는 어떤 사람이고 그의 학문적 업적이 어느 정도였길래 많은 사람들이 '노벨상 감'으로 꼽기를 주저하지 않는 것일까요?

이휘소는 1955년 2월 오하이오주에 있는 마이애미 대학 물리학과에 등록함으로써 유학 생활을 시작합니다. 이후 58년 피츠버그 대학에서 석사 과정을 마쳤고 1960년 12월 펜실베니아 대학에서 'K이온 중간자와 핵자 현상의 이중 분산 표시에 의한 분석'이라는 논문으로 박사 학위를 받았습니다. 그는 유학 시절 줄곧 A학점을 받아 수석을 놓치지 않았는데 1959년 8월에 치른 박사 학위 시험에서는 전체 평균 93학점을 받아 차석의 71점을 무려 22점이나 앞질렀다고 합니다. 이 점수는 펜실베니아 대학 역사이래 처음 있는 일이었습니다. 그 후 이휘소 박사는 페르미 연구소의 이론 물리학 부장으로 임명돼 가속기를 이용한 소립자 연구의 실질적인 책임자가 되었습니다. 아울러 가까운 시카고 대학의 정교수로 자리를 옮겼습니다. 이휘소는 생전에 138편의 논문을 발표했는데 물리학계에서는 그의 업적을 크게 두 가지로 꼽고 있습니다. 첫 번 째는 70년대 확립된 전약 이론에 이휘소가 결정적인 기여를 한 점입니다. 전자기력과 약력의 통합으로 알려진 이 이론은 67년 미국인 와인버그에 의해 제창되었는데 두 가지 치명적인 약점을 가지고 있었습니다. 이휘소는 72년 발표한 논문 '재규격화가 가능한 질량이 있는 벡터 중간자 이론-힉스 현상의 섭동 이론'에서 이 문제를 명쾌하게 계산해 증명하였습니다. 와인버그는 전약 이론을 발전시킨 공로로 79년 노벨 물리학상을 받았습니다. 또 하나의 업적은 매혹 입자(charmed particle)에 관한 것입니다. 하버드 대학의 글래쇼 교수는 u(업)쿼크, d(다운)쿼크 그리고 전자라는 기본 입자 외에 c쿼크라는 새로운 쿼크가 있어야 한다고 주장했습니다. 이휘소는 당시 잘 알려져 있던 두 입자(Kl과 Ks)의 질량차로부터 c쿼크의 질량을 계산해 냈습니다. 그 후 얼마 지나지 않아 c쿼크와 그 반입자로 구성된 매혹 입자가 발견됐으며 매혹 입자를 구성하는 c쿼크의 질량은 그가 예언한 것과 같다는 사실이 밝혀졌습니다. 와인버그와 함께 노벨상을 공동 수상한 파키스탄인 살람은 '이 박사의 정확하고도 믿을 수 있는 c쿼크의 질량 추정이 없었다면 매혹 입자에 대한 우리의 이해가 그리 빠르지 않았을 것'이라며 그의 업적을 높이 평가했습니다. 그러나 아깝게도 이휘소 박사는 1977년 6월 16일 콜로라도주의 과학 회의에 가던 중 일리노이주 남부에서 자동차 사고로 사망했다.

  2. 베르누이란? (어떻게 큰 비행기가 하늘을 날 수 있을까요? )  

덩치가 큰 비행기가 사람과 화물을 가득 실은 채 하늘을 나는 일은 꽤나 신기한 일입니다. 그러나 아무리 신기한 일도 원리를 알면 매우 간단하답니다.

비행기가 날 수 있는 것은 공기의 성질을 잘 이용하기 때문입니다. 이 원리에 따르면 물이나 고기의 속도가 빠르면 압력이 낮아지고 물이나 공기의 속도가 느리면 압력이 높아진다는 것입니다. 비행기의 날개를 옆에서 보면 아래쪽은 평평하고 위쪽을 둥근 모양입니다. 또한 윗부분의 앞쪽은 두텁고 뒤로 갈수록 가는 형태를 하고 있습니다. 비행기가 앞으로 나갈 때 뒤로 흐르는 공기의 속도는 날개 위쪽과 아래쪽이 다릅니다. 아래쪽보다 위쪽이 훨씬 빠릅니다. 결국 공기의 속도가 빠른 위쪽보다 공기의 속도가 느린 아래쪽의 압력이 크다는 이야기입니다. 압력이 큰 아래쪽 공기가 날개를 밀어 올리기 때문에 비행기는 하늘로 날아올라 멀리 비행할 수 있는 것입니다. 고속도로에서는 베르누이의 원리를 잘 알고 있어야 합니다. 만약 큰 버스와 작은 승용차가 나란히 달린다고 합시다. 이 때 두 차 사이의 공기의 압력은 자동차의 다른 면보다 작습니다. 빠른 속도로 달리는 자동차가 주위의 공기를 끌고 가기 때문입니다. 이 때 자동차, 특히 덩치가 작은 승용차는 안쪽으로 쏠리는 현상이 일어날 수 있습니다. 바로 베르누이 원리 때문입니다. 베르누이 원리는 공기만이 아니라 물에서도 일어날 수 있습니다. 음료수의 병목이 몸체보다 작은 이유도 마찬가지입니다. 병목이 작은 곳에서는 액체의 속도가 빨라지고 공기의 압력은 작아집니다. 따라서 병 속에 담긴 물체는 빠른 시간 안에 밖으로 나올 수 있는 것입니다. 예전에는 이런 베르누이 원리 때문에 바다에서는 선박끼리 충돌 사고가 가끔 일어났습니다. 나란히 달리던 두 배가 눈 깜짝할 사이에 부딪쳐 침몰하는 사고였습니다. 두 배가 나란히 달리면 두 배 사이에 물 골짜기가 만들어집니다. 그리고 배 사이의 물의 속도가 배 바깥의 물의 속도보다 훨씬 빠르게 되지요. 물의 속도가 빠르면 배 사이에서 배에 끼치는 압력은 그만큼 적어지고 배 바깥에서 배에 끼치는 압력은 커지게 됩니다. 그러다 보니 어느 새 두 배는 비스듬히 항해하다가 충돌하게 되는 것입니다.

3. 신기루 현상의 원리   신기루란 밀도가 서로 다른 공기 층에서 빛이 굴절함으로써 멀리 있는 물체가 거짓으로 보이는 현상. 어떤 조건하에서 포장도로나 사막 위의 공기는 강렬한 햇빛으로 뜨겁게 가열되고, 고도가 높아짐에 따라 급속히 냉각되므로 밀도와 굴절률이 커진다.

신기루라는 명칭은 중국의 상상의 동물인 <이무기>가 숨을 내쉴 때 보이는 누각이라는 뜻이다. Mirage는 프랑스 말의 의미로 "to look at in wonder"로 miracle과 관련이 있다. 신기루는 다음과 같이 3가지 형태로 구분해 볼 수 있다.

?하방굴절 신기루

나폴레옹 1세의 이집트 원정 때 종군하였던 프랑스의수학자 G. 몽즈가 처음으로 이 현상을 기술하여 {몽즈현상}이라고도 한다. 물체의 윗부분, 나무꼭대기에서 아래쪽으로 반사된 햇빛은 보통 차가운 공기를 지나 똑바로 나아갈 것이다. 각도 때문에 그 빛을 정상적으로 볼 수 없지만, 그 빛은 지표 가까이의 밀도가 희박해진 뜨거운 공기층을 지나면서 위쪽으로 구부러지므로 관측자의 눈에는 마치 그 빛이 뜨거운 지표면 아래쪽에서 나온 것처럼 보이게 된다. 반사된 빛 중에 일부는 굴절하지 않고 똑바로 눈에 들어오기 때문에 나무의 직접상도 볼 수 있다. 이 두 상 가운데 하나는 나무의 실상이고 다른 하나는 물에 반사된 것처럼 거꾸로 보이는 상이다. 하늘이 신기루의 대상이 되면 땅이 호수나 물의 표면으로 잘못 인식된다.

?상방굴절 신기루

빈스 현상이라고도 한다. 지표의 공기가 몹시 차갑고 그 위가 따뜻할 경우, 지표부근의 현저한 기온역전으로 인해 광선이 굴절하여 먼 곳에 있는 실물이 거꾸로 매달린 도립상의 형태로 나타나거나, 솟아올라 보인다. 두 경우 모두 신기루의 상이 실물보다 위쪽에 형성된다. 북극해 같은 곳에서 잘 나타나며, 대기의 조건에 따라 해상에 떠있는 작은 유빙이 거대한 빙산으로, 또는 자그마한 어장이 크고 화려한 궁전으로 변모하기도 하여 항해자나 탐험자들이 신비감에 이끌린다.

?측방굴절 신기루

수평방향으로 빛이 이상굴절하는 것으로 수직인 벼랑이나 벽이 햇빛을 받아 뜨거워진 경우나 해안의 얕은 곳과 깊은 곳의 수온이 다른 경우 등이 조건이 된다. 때로는 수면 위에서처럼 차갑고 밀도가 큰 공기층이 뜨거운 공기층의 아래에 놓이는 경우가 있다. 그러면 반대현상이 생겨 마치 물체가 실제 위치보다 위쪽에 있는 것처럼 보인다. 예를 들면 수평선 너머 배가 있을 때처럼 실제로 보이지 않아야 할 물체가 하늘에 떠 있는 것처럼 보이게 되는데, 이 현상을 {공중누각}이라고 한다.

4. LPG, LNG 가스가 누출되었을 때 환기를 어떻게 해야 하나요?  

LPG는 보통 가정에서 가스레인지 연료로 쓰거나 자동차 연료로 쓰는 것입니다. 크고 무거운 가스통 속에 액체 상태로 있다가 가스 호스를 타고나올 때 기체로 되어 타는 것입니다. LPG는 액화 석유 가스라고 하는데, 원유를 끓여서 분리할 때 먼저 나오는 프로판, 부탄 가스 등을 모아 압력을 높여 액체로 만들어 놓은 것입니다. 그에 비하면 LNG는 액화 천연 가스라고 하는데 땅속에 묻혀 있는 가스로 만드는 것입니다. 천연 가스를 정제하여 얻어지는 메탄을 주성분으로 한 가스를 액체로 만들어 놓은 것입니다. LNG는 가스의 온도를 -162℃로 낮춰서 액체로 만들기 때문에 그 저장 탱크가 단열이 잘 되고 아주 튼튼해야 하므로 각 가정마다 간이용으로 탱크를 설치하기 어려워서 중앙 집중형으로 합니다. 그래서 LNG를 연료로 쓰는 아파트에서는 따로 가스통이 필요 없습니다. LNG는 깨끗해서 환경 오염도 줄일 수 있는 데다 열도 많이 나서 점차 LPG를 대신하여 많이 쓰이고 있습니다. 참고로 가스가 새어 나왔을 때 LPG는 프로판이 주성분이라 아래로 깔리지만 LNG는 메탄이라 위로 올라가니까 환기를 시킬 때는 그 가스가 있는 방향 쪽을 중심으로 해 줘야 합니다.

5. 비유로 배우는 과학상식 - 원자의 크기  

작은 수의 세계로 들어가 보자. 수소 원자의 반지름은 약 0.3×10-8cm이다. 얼마나 작은지 상상할 수 없다.

비유1) 1억 개의 수소 원자를 한 줄로 배열해야 1cm가 된다.

비유2) 원자의 크기를 1억 배로 늘리면 탁구공만 해지고, 탁구공을 1억 배만큼 확대시키면 지구 만해진다.

원자는 이렇게 작다. 하지만 더 놀라운 것은, 원자는 대부분이 비어있다는 것이다. 원자는 핵과 전자로 이루어지는데, 원자의 평균 반지름은 10-8cm 정도이고, 핵의 평균반지름은 10-12cm 정도이다. 어느 정도 차이가 나는 것일까?

비유1) 원자핵의 지름을 0.1 mm라고 하면 원자의 지름은 10m 정도다.

비유2) 전자가 잠실 종합운동장의 스탠드를 돌고 있다고 하면, 원자핵은 운동장 한가운데에 있는 개미 한 마리 정도다.

길이보다 부피로 하면 한층 더 실감이 난다. 부피 비는 길이의 세제곱이므로, 원자핵은 원자 부피의10-12배(원자의 반지름과 원자핵의 평균 반지름의 차이가 4승이므로)정도가 된다. 만약 원자에서 핵과 전자를 모두 떼어내어 차곡차곡 쌓을 수 있다고 하자. 엠파이어스테이트 빌딩은 작은 사탕 봉지 안에 들어가고, 63빌딩은 밥풀 뻥튀기 한 알 만해진다. 그렇다면 한강 물은? 한강을 깊이10m, 폭 200m, 길이 100km라고 하자(충분히 이만큼 된다). 한강물의 부피=10m×200m×100,000m = 2×108m3 = 2×1014cm3. '한강을 이루고 있는 물분자'에서 산소, 수소 원자를 떼어내고 다시 원자핵과 전자로 분리해 차곡차곡 쌓는다면, 그 부피는 2×1014cm3×10-12 = 200cm3. 우유가 1백 80 mㅣ이므로 우유 한 컵 조금 넘는다. 하지만, 이 물(?)을 마시려고 컵을 들어올릴 수 있는 사람이 세상에 있을까?

6. 왜 전자레인지속에는 은박지로 음식을 싸서 넣으면 안 될까요?  

미애는 배가 고파서 냉장고를 뒤지고 있습니다. 냉장고 한 귀퉁이에서 은박지에 싼 피자를 발견한 미애는 너무 기뻐 데워 먹기로 했습니다. 전자 레인지에 데우는 것이 빠르다는 것을 아는 미애는 은박지에 싼 피자를 그대로 전자 레인지에 넣고 시작 스위치를 눌렀습니다. 그런데 이게 웬일입니까? 갑자기 전자 레인지 안에서 스파크가 튀면서 퍽퍽 소리가 들리기 시작했습니다. 이 소리를 듣고 뛰어온 철이가 급히 전자 레인지를 끄고는 안에 있던 피자를 꺼내면서 말했습니다. "전자 레인지에는 금속을 넣으면 안 된다는 것도 몰랐어?" 이 말에 기가 죽은 미애는 깜박 잊어버렸다고 이야기하고는 철이를 골려줄 생각에 "그런데 오빠, 왜 금속을 넣으면 안 되는 거야?"하고 물어 보았습니다. 말문이 막힌 철이는 우물쭈물하다가 아버지에게 도움을 청했습니다. "그건 전자 레인지는 극초단파라는 전파를 이용해서 음식물을 데우는 조리 기구란다. 분자 운동을 자극하기 때문에 가스레인지에 비해 빨리 데워진다는 장점이 있지. 그런데 금속 그릇이나 은박지 같은 금속으로 싼 음식을 집어넣을 경우에는 문제가 생긴단다. 극초단파는 금속을 통과하지 못하고 자유전자에 흡수된단다. 극초단파를 흡수한 자유전자는 들뜨게 되고 들뜬 원자가 원래 상태로 되돌아가면서 흡수했던 에너지를 내보내 그것이 스파크나 소리로 나타나는 거란다. 따라서 금속을 쓰면 음식을 데울 수 없고 위험하단다."

7. 잠수함은 어떻게 떠오르고 가라앉을까?  

잠수함은 부표 저장 통이라는 게 달려 있습니다. 이 통에 바닷물을 채웁니다. 통에 물이 가득 차면 잠수함은 물밑으로 가라앉게 됩니다. 물 속에 들어간 잠수함은 꽁무니에 있는 프로펠러를 돌려 앞으로 나갑니다. 만약 방향을 바꾸고 싶으면 잠수함 머리 앞쪽에 붙어 있는 수평날개를 움직이면 됩니다. 수평날개는 물고기 아가미 뒤에 붙어 있는 수평지느러미와 같은 역할을 합니다. 물 속을 항해하던 잠수함이 떠오르려면 저장 통에 담아 두었던 물을 내보내면 서서히 떠오르게 됩니다.

8. 압력솥에 밥을 하면 빨리 되는 이유는 무엇일까?  

냄비에 감자를 삶으면 익는데 20-30분이 걸립니다. 그러나 압력솥에 삶을 경우 4-5분이면 익습니다. 그 이유는 무엇일까요?

냄비의 물은 100℃에서 끓습니다. 물에 아무리 열을 가해도 온도는 더 오르지 않습니다. 가하는 열은 물을 수증기로 증발시킬 뿐입니다. 그러나 압력솥은 밀폐된 뚜껑이 있어 물이 끓을 때 생기는 수증기가 밥솥 내부에 모입니다. 압력이 상승함에 따라 물의 비등점도 높아집니다. 따라서 조리하는 온도가 높아져 음식을 익히는 데 필요한 시간이 단축됩니다.

가정용 압력솥은 1679년 프랑스의 물리학자 드니스 파팽이 영국에서 특허를 낸 '증기찜통'을 개량한 것입니다. 일반적인 현대식 압력솥은 내면의 1㎤당 1㎏의 압력을 받는데 이는 보통 기압의 두 배에 가깝습니다. 따라서 물은 122℃에서 끓습니다.

압력밥솥은 냄비와 비슷한 몸체와 돔형의 뚜껑으로 이루어져 있습니다. 몸통과 뚜껑사이에는 고무로 만든 가스킷이 설치되어 압축된 공기가 새지 않도록 밀폐합니다. 뚜껑 중심부에는 무거운 마개가 달린 배기 구멍이 있습니다. 배기 구멍은 마개에 의해 밀폐되지만 내부의 압력이 일정한 수준에 이르면 열리게 됩니다. 배기 구멍의 마개에 링을 부착하거나 제거함으로써 밥솥 내부의 온도를 폭넓게 변화시킬 수 있습니다.

9. 양초는 무엇으로 탈까?  

자신의 몸을 태워 세상을 환히 밝히는 촛불은 우리의 마음을 언제나 환하게 밝혀 줍니다. 타고 있는 촛불을 가만히 들여다보면, 타고 있는 양초 속에는 모든 상태가 다 있는 것 같습니다.

양초는 고체로 되어 있지만 성냥불을 켜 양초에 대면 고체인 파라핀은 녹아 흐르기만 할 뿐 불은 붙지 않습니다. 이것이 심지를 타고 올라오면서 불을 붙는 것을 보면 기체 상태도 있는 것 같습니다. 그러면 양초에서 타는 것은 어떤 상태일까요?

만약에 고체인 파라핀과 액체인 파라핀에 직접 불을 붙여 보면 파라핀은 녹아 액체가 될 뿐 불이 붙지 않으며, 액체 파라핀은 흰 연기가 올라올 뿐 이것도 잘 타지 않는다는 것을 알 수 있습니다.

알루미늄 호일을 말아 연통관 모양으로 만들어 촛불의 중심에 넣고 그 끝에서 희끄무레한 연기가 나오도록 한 후에 불을 붙여 봅시다. 그러면 양초의 심지가 연장된 것처럼 불꽃이 또 만들어지는 것을 볼 수 있습니다. 따라서 양초는 기체상태로 탄다는 것을 알 수 있습니다.

자신의 몸을 태워 세상을 밝게 해주는 양초처럼 우리도 세상에서 꼭 필요로 하는 사람이 되어야겠습니다.

10. 깎아 놓은 사과는 왜 색깔이 변색될까?   사과 껍질을 벗겨서 얼마 동안 그대로 두면 곧 표면이 옅은 붉은 갈색으로 변화하는 것을 볼 수 있습니다. 또 믹서로 갈아 주스를 만들어도 얼마 후 역시 색깔이 변합니다.

이것은 사과 속에 색깔을 변화시키는 물질이 들어 있기 때문입니다. 이 물질은 사과 세포 속에 있을 때는 변화를 일으키지 않지만, 세포가 파괴되어 공기 중에 노출되면 산소에 의해 산화되어 색깔을 변화시킵니다.

이 물질이 바로 퀴닌산(quinic acid)으로 사과, 복숭아, 커피의 종자 등에 다량 함유되어 있으며, 관다발 식물에 널리 분포되어 있습니다. 사과의 껍질을 벗기거나 자르면 사과 세포의 일부가 파괴되고 그 결과 퀴닌산이 공기 중에 노출됩니다.

또한 사과 세포 속에는 물질의 산화작용을 돕는 산화 효소가 함유되어 있는데, 이 효소가 색이 없는 퀴닌산을 산화시켜 옅은 붉은 갈색을 띠는 산화 퀴닌산으로 변화시키므로 사과의 표면 색깔이 변하는 것입니다.

그런데 껍질 벗긴 사과에 묽은 소금물을 끼얹으면 소금 성분이 산소의 용해를 방해하여 산화 효소의 작용을 억제시키므로 색깔의 변화가 일어나지 않습니다. 그냥 물로 씻어도 산소의 용해가 서서히 일어나 색깔의 변화가 느리게 나타납니다.

11. 겨울철 염화칼슘을 뿌리는 이유  

장마철에는 온 대기가 습기로 가득 차 있고, 기온도 높아 곰팡이들이 활동하기에 좋습니다. 특히 옷장이나 이불장, 신발장 안은 어둡고 공기가 갇혀 있어 곰팡이들이 살기에 안성맞춤입니다. 그래서 제습제를 넣어 두는데 이런 제습제의 원리는 무엇일까요?

시중에서 판매되는 제습제 통을 가만히 관찰해 보면 주성분란에 '편상 염화칼슘'이라고 쓰여 있을 것입니다. 편상 염화칼슘이란 염화칼슘 조각을 뜻합니다. 염화칼슘은 공기를 잘 흡수하는 성질이 있습니다. 염화칼슘은 흰색 고체로 있다가 장마 때 자신의 무게의 14배 이상의 물을 흡수할 수 있습니다. 습도가 60%일 때는 자체 무게만큼의 물을 흡수할 수 있습니다.

염화칼슘은 여름 장마철뿐만 아니라 추운 겨울 눈 내릴 때도 요긴하게 사용합니다. 눈이 내려 빙판이 된 고갯길에 이 염화칼슘 가루를 뿌리면 놀랍게도 눈이 녹기 시작해서 얼마 안 지나 차들은 안심하고 지날 수 있게 됩니다.

염화칼슘은 제습제로써 습기를 흡수하는 성질이 강한데, 일단 눈 위에 떨어진 염화칼슘은 주위의 습기를 흡수해서 스스로 녹기 시작합니다. 눈에 뿌려진 염화칼슘은 눈 속에 들어 있던 수분을 흡수하게 됩니다.

그럼 염화칼슘이 습기를 흡수하면 왜 눈이 녹게 되는 것일까요?

그 이유는 습기를 흡수한 염화칼슘이 수분을 흡수해서 녹으면서 열을 내놓기 때문입니다. 이 열이 주변의 눈을 다시 녹게 할 수 있고 그 과정이 반복되어 눈을 계속 녹게 하는 것입니다.

또한 염화칼슘이 물에 녹으면 그 물은 다시 얼기 어렵습니다. 무려 영하 55℃가 되어야 얼 수 있습니다. 이러한 원리에 의해 염화칼슘은 눈으로 빙판이 되어 버린 길을 녹일 수 있는 것입니다.

12. 충전지와 일반 건전지는 어떻게 다른 걸까 ?  

다 쓴 건전지를 버리려면 아까운 생각이 들 때가 있죠?

'요걸 다시 쓸 수 있으면 좋을 텐데.....'라는 생각이 들지만 건전지에는 그럴 수 없다고 되어 있습니다. 분명히 충전해서 다시 쓸 수 있는 건전지가 있는데 일반 건전지는 왜 안 될까요?

전지는 충전이 가능한 것과 그렇지 않은 것 모두 화학적인 산화 환원반응의 원리를 이용합니다. 먼저 일반 알칼리 건전지의 경우, (+) 극은 이산화망간에, (-) 극은 아연에 각각 연결되어 있고, 둘 다 전해액에 섞여 있습니다. 전지의 두 전극을 연결해 회로를 만들면 (-) 극에 있는 아연은 전해액과 반응해 산화아연으로 바뀝니다(산화반응). 이때 아연 원자가 아연 이온으로 되면서 전자를 방출합니다. 방출된 전자는 회로를 통해 흐른 후 전지의 (+) 극으로 가서 이산화망간 속의 망간이온과 결합합니다(환원반응). 이렇게 전자가 움직여 가는 것이 전류의 흐름입니다.

충전이 가능하도록 만들어진 전지 역시 산화 - 환원반응을 이용한다는 점에서는 일반 알칼리 건전지와 원리가 같습니다. 그러나 일반 알칼리 건전지에서 일어나는 산화 - 환원 반응이 비가역적인 반면, 충전지에서는 그 반응이 가역적입니다. 일반 알칼리 건전지에서는 아연이 일단 아연 이온으로 산화되고 나면 그것이 다시 금속아연으로 환원되는 반응은 일어나지 않습니다. 마찬가지로 망간 이온이 망간으로 환원되는 반응의 역반응도 일어나지 않습니다.

반면 충전지에서는 다 쓴 전지에 역 방향의 전류를 걸어주면 전류를 만들어낼 때 일어났던 산화 - 환원 반응의 역반응이 일어나 전지의 내용물을 원래대도 돌려놓습니다.

납 축전지(자동차 축전지에 주로 사용)는 과산화 납과 금속 납을 전극으로 황산을 전해액으로 사용하는 충전지의 좋은 예입니다. 납 축전지에 회로를 연결하면 과산화 납과 금속 납이 모두 황산 납으로 바뀌는 산화 - 환원 반응이 일어나면서 전류가 발생합니다. 반면 자동차가 달릴 때는 엔진이 발전기를 돌려 생긴 전류를 축전지에 보내, 앞서와 반대의 산화 환원반응을 일으킴으로써 황산 납을 원래의 과산화 납과 금속 납으로 바꾸어 놓습니다. 충전지가 재충전되는 것은 이와 같이 방전과정의 반대과정을 거쳐서 이루어집니다.

13. 화재 경보기는 어떻게 화재가 난 것을 알까요 ?  

천장에 달려 있는 자동 화재 경보장치는 대체로 타고 있는 물체에서 나오는 연기의 작은 입자를 감지해 경보를 울리도록 되어 있습니다. 연기를 감지하는 메커니즘은 크게 두 가지로 나뉩니다. 먼저 광학식 탐지기의 경우에는 연기가 빛을 차단하면 이에 반응하는 광 센서(광 다이오드를 사용)가 연기를 탐지합니다. 반면 이온화식 연기탐지기의 경우 약한 방사선이 기체를 이온화시키는 원리를 이용함으로써 작은 연기 입자까지도 탐지할 수 있습니다.

광학식 탐지기는 광원에서 광 센서에 빛을 비추고 있다가 연기가 중간에 끼어 들어 빛이 차단되면 센서가 이를 감지하는 것입니다. 이온화식 탐지기는 좀더 복잡합니다. 우선 전지의 양극에 연결돼 있는 평행한 판 사이에 약한 방사선을 쪼이면 그 사이에 있는 기체가 이온화되면서 양이온과 음이온이 생겨 대전된 전극으로 끌려가기 때문에, 서로 떨어져 있는 판 사이에 전류가 흐르게 됩니다. 그런데 탐지기 속에 연기 입자가 들어오게 되면 그것이 이온들을 끌어당겨 전극으로 끌려가는 이온수가 줄게 되고 따라서 흐르는 전류가 약해집니다. 이런 현상을 집적회로가 감지해 경보를 울리게 됩니다.

14. 형상 기억 합금이란?  

형상 기억 합금이란 다른 모양으로 변형시키더라도 가열하면 다시 변형 전의 모습으로 되돌아오는 성질을 가진 합금을 일컫는 말입니다. 예를 들면 곧게 뻗은 형상 기억 합금 막대를 아무렇게나 구부렸다가 얼마 후 온도를 높여 주면, 원래의 모양으로 되돌아갑니다. 또 형상 기억 합금은 복원력이 강하다는 특징도 가지고 있습니다. 즉 원래의 모양으로 되돌아갈 때, 변형에 소요된 힘의 약 5배 가량의 힘을 내는 경우도 있습니다. 형상 기억 합금에는 원래의 모양으로 한 번 돌아가면 그만인 것과, 온도차에 의해서 몇 번이라도 효과를 나타내는 것의 두 종류가 있습니다. 그러나 현재 실용화되어 있는 것은 앞의 경우뿐입니다. 현재 대표적인 형상 기억 합금으로는 티탄?니켈 합금이 있습니다. 티탄?니켈 합금은 우수한 특성을 지니고 있지만 가공성?성형성?용접성 등의 문제를 안고 있습니다. 여러 가지 문제 중에서도 특히 제조 가격이 비싸다는 사실은 최대의 단점으로 꼽히고 있습니다. 따라서 값싼 형상 기억 합금을 실용화하려는 연구가 더욱 활성화되고 있습니다. 그렇다면 형상 기억 합금의 원리는 무엇일까요? 보통의 금속은 탄성 한계를 넘어서 변형을 주면 데우거나 식혀도 원래의 형태로 돌아가지 않습니다. 그러나 형상 기억 합금은 고온에서 적당한 형상으로 성형한 후 실온에서 변형했다가 다시 가열하면 원래 성형한 모양으로 되돌아갑니다. 이러한 효과를 형상 기억 효과라고 부르는데, 이 효과는 합금이, 주어진 형상을 원자 배열로서 기억하고 있기 때문에 생깁니다. 이러한 효과는 고온에서의 원래 원자배열이 저온에서의 변형 때도 기억되고 있다가, 다시 고온이 되면 원래의 원자 배열로 재배열하는 결과로 일어난다고 생각됩니다. 형상 기억 합금은 월면 안테나나 인공 위성 안테나의 재료로 우주 개발에 사용되고 있고, 또 화재 경보기, 방열기 밸브 등의 용도와 온도 제어에도 쓰입니다. 그 밖에도 전자 기기나 의료 용구, 에너지 개발 등에서도 폭넓게 이용되고 있습니다.

15. 전지는 언제, 어떻게 만들어 졌을까?  

자연현상에 불과했던 전기도 과학자들에 의해 실용화 되게 되었지만, 초기에는 불꽃방전을 즐기는 정도에 지나지 않았습니다. 전기가 실용화된 것은 '전지'가 발명되고서부터입니다. 전지는 발전기보다 먼저 발명되었거든요. 1780년 이탈리아의 동물학자 갈바니는 기묘한 현상을 발견했습니다. 즉 두 종류의 금속을 연결해서 죽은 개구리의 발 근육에 갖다 대자, 발이 경련을 일으켜 움찔거렸던 것입니다. 몇 번이나 실험을 거듭한 끝에 갈바니는 이런 생각을 했습니다. ??전기란, 개구리의 신경 속에 숨겨져 있는 것이구나. 이것을 두 종류의 금속으로 연결하면 축전병의 안쪽 주석박과 바깥쪽 주석박을 도선으로 연결할 때와 같이 방전이 일어난다.??그래서 그는 '동물전기'란 이름을 붙였던 것입니다. 이것은 당시에 대단한 화제거리가 되었습니다. 그래서 여러 사람들이 다투어 실험을 했기 때문에 개구리들은 때아닌 수난을 당하기도 했다고 합니다. 그런데 이상하게도 한 종류의 금속으로는 어떤 방법을 써도 안되었습니다. 여기에 의문을 품은 사람이 있었습니다. 같은 이탈리아 사람인 볼타라는 물리학자였습니다. 이윽고 볼타는 전기의 근원이 생물에 있는 것이 아니라 종류가 다른 두 금속을 접촉하면 일어난다는 사실을 알게 되었던 것입니다. 그래서 그는 갈바니의 동물전기설을 비판했습니다. 그는 1800년에 볼타의 전퇴라는 것을 발표했는데 이것은 두 금속, 이를테면 은판과 아연판 사이에 소금물이나 알칼리 용액으로 적신 천조각을 끼운 것을 여러 쌍 겹쳐 쌓는 것이었습니다. 전퇴의 양끝에 전선을 연결하면 전류를 빼낼 수 있었습니다. 그때까지 기전기를 만든 전기는 순간적으로 흘러 없어져 버리는 것이었기 때문에 이것은 대단한 발견이었던 셈입니다. 따라서 볼타의 전퇴는 오늘날의 동전기 시대의 개막을 연 셈이지요. 이 전퇴의 원리를 이용해서 묽은 황산 속에 구리와 아연을 담근 것을 볼타 전지라고 합니다. 그후, 볼타에게 주어진 최대의 명예는 전압의 단위에 볼트라는 이름이 붙여진 것이었습니다.

16. 알루미늄 깡통은 전기 식충이(?)  

알루미늄은 가벼우면서도 견고하며, 열, 공기, 물 등에 안정되기 때문에 점차로 철을 대신해 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 특히 비행기에 이용되는 '듀랄민'이란 합금에는 알루미늄 94%, 구리 4%, 마그네슘, 망간, 철, 규소가 각각 0.5%씩 포함되어 있는데, 듀랄민의 무게는 강철 무게의 1/3밖에 안 된다고 합니다. 오늘날 알루미늄 합금 없이는 날아다니는 물체는 꿈도 꿀 수 없게 되었습니다. 이러한 알루미늄이 금속으로 풍부하게 얻어진 것은 매우 최근입니다. 천연으로는 산화알루미늄(Al2O3)으로 존재하는데, 산화알루미늄의 산소와 알루미늄간의 결합이 강해서 좀처럼 금속으로 환원되지 않기 때문입니다. 이 난관을 1886년 프랑스의 에루와 미국의 호올이 각각 독립적으로 극복했습니다. 보오크사이트(Al2O3?2H2O)를 원료로 하여 여기에 빙정석(Na3AIF6)과 소량의 형석(CaF2)을 가하여 1000℃ 정도에서 녹이면, 보오크사이트도 빙정석 속에 녹아듭니다. 이러한 용융 상태에서 전기 분해를 하면, (-)극에 순수한 금속 알루미늄이 석출됩니다. 이것이 알루미늄의 공업적 제조법입니다. 그런데 이 방법은 매우 많은 전기를 소비한다고 합니다. 무심코 쓰고 버리는 알루미늄 깡통이 '전기의 깡통'이라 불리는 것은 그 때문입니다. 1g의 알루미늄을 얻기 위해 무려 15～20Wh(20W의 형광등을 15시간이나 켜둘 수 있는 양)의 전력이 듭니다. 알루미늄 생산은 가장 전력 소비가 많은 산업의 하나입니다. 전기는 편리한 에너지이지만 만드는 데 비용이 많이 들고 환경 오염이 따릅니다. 화력 발전에서는 대기 오염이 발생하며, 원자력 발전에서는 더 엄청난 방사능이 찌꺼기로 나옵니다. 어느 경우든지 생산되는 전력보다 많은 폐열이 나와 환경을 열로 오염시킵니다. 알루미늄은 무척 현대적이고 편리한 금속이지만, 실은 그 뒤에 환경 오염과 자원의 낭비라는 문제가 도사리고 있는 것입니다.

17. 산성 음식 먹으면 성인병 걸린다?  

산성보다 알칼리성 체질이 좋다?

애초 이런 주장은 주로 일본에서 쏟아져 나온 건강책자들을 통해 우리 나라에 들어왔습니다. 산성 체질은 현대의학으로 치료하지 못하는 난치병 등 각종 질병의 원인이기 때문에 평소 알칼리성 음식을 많이 먹는 게 좋다는 것입니다. 그러나 의학적으로 인체를 산성과 알칼리성 체질로 나누어 질병의 발생과 치료를 이해하는데 사용하는 경우는 없어요. 흔히 체질이 산성이냐 알칼리성이냐는 혈액 속의 수소이온 농도지수(pH)를 기준으로 판별합니다. 사람이 활동하기 위해서는 여러 가지 대사물질을 만드는 효소가 필수적인데, 이 효소의 기능에 가장 중요한 영향을 주는 것이 바로 수소이온농도입니다. 수소이온농도지수가 7보다 낮으면 산성, 높으면 알칼리성이라고 합니다. 건강한 인체 혈액의 pH는 7.35～7.45의 약알칼리성이며 생존 가능한 범위는 7.0～8.0입니다. 따라서 일부 극단적인 병적인 상태를 제외하고는 이 범위를 벗어난 알칼리성 또는 산성체질로는 살아갈 수 없는 것입니다. 그렇다면 알칼리성 음식을 많이 먹으면 혈액의 pH가 상승하고 산성음식을 먹으면 떨어지는 걸까요? 물론 육류, 생선 등 산성 식품보다는 과일, 야채 등 알칼리성 식품을 즐겨 먹는 사람이 성인병의 발생 빈도가 낮은 것은 사실이예요. 그러나 우리 몸은 어떤 이유로든 산을 많이 섭취하게 되면, 콩팥에서 오줌을 많이 만들어 산을 배출하거나 폐에서 이산화탄소를 배출하는 방법으로 체액의 pH를 높이게 됩니다. 항상성을 유지하려는 인체의 자율 기능이 작용해 교묘하고도 정밀하게 체액의 산도를 항상 약알칼리성으로 유지하는 것입니다.

18. 비누 성분 뿜어내 곰팡이 침입차단  

후텁지근한 하루를 보낸 뒤 시원한 물에 비누로 땀을 닦아내면 기분이 산뜻해지죠. 비누는 때를 닦아내고 병균을 죽이기 때문에 우리의 건강을 지키는 생활 필수품이예요. 그런데 비누가 없던 옛 조상들은 어떻게 살았을까요?

식물을 끓이거나 갈아서 물에 넣고 흔들면 거품이 나는데, 그 이유는 식물에 들어 있는 사포닌 계통의 물질이 비누 구실을 하기 때문입니다. 옛날에는 식물을 태운 재를 비누로 사용하였으며 단오에는 창포로 머리를 감았어요. 서양에서는 오래 전부터 식물로 비누를 만들었다고 합니다. 식물이 비누 성분을 만드는 이유는 곰팡이의 공격으로부터 자신을 보호하기 위해서입니다. 우리 몸의 때와 병균을 씻어내듯이 사포닌은 곰팡이의 세포막에 붙어서 이를 분해함으로써 곰팡이 침입을 막을 수 있다고 해요.

그런데 비누는 곰팡이뿐 아니라 식물 세포막도 손상시키는데 어떻게 식물이 자신의 세포를 보호하는지는 알려져 있지 않아요. 아마도 특수 장소에 비누 성분을 저장해 두었다가 곰팡이가 공격하면 병균을 죽일 것으로 추측됩니다.

그러나 비누 성분이 많이 들어 있는 식물을 공격하는 곰팡이도 있어요. 이 곰팡이는 세포와 세포 사이에서만 살아감으로써 자신을 죽이는 물질을 피할 수 있습니다. 또 어떤 곰팡이는 사포닌을 분해하는 효소를 만들어 비누의 독성을 없애버립니다. 식물은 그렇게 되면 다른 종류의 사포닌을 새로이 만들어 곰팡이의 침입에 대비하죠. 따라서 식물의 사포닌은 그 종류가 매우 다양합니다. 자연의 관계가 항상 그렇듯이 영원한 승자는 없습니다. 식물은 지저분한 환경에서도 건강히 자라나는 강력한 생명력이 있어요. 이는 사포닌 외에도 다양한 항생물질을 만들어 자신을 보호하기 때문입니다.

  19. 냄새 먹는 돌  

놓아두기만 해도 냄새가 제거되면서 영구적으로 사용할 수 있는 신비의 돌이 개발되었답니다.

바위처럼 단단하지만 스폰지처럼 잘 흡수하는 새로운 상품이 개발되었습니다. 미국 휴스턴의 난센츠(Nonsecnts)라는 이름의 기업은 화산재의 결정을 가지고 만든 광물인 '클라이놉틸로라이트 제올라이트(clinoptilolite zeolite)'를 대기 중의 냄새 제거용으로 시판하기 시작했습니다. 이 기업의 창업자인 딘 필포트(Dean Philpot)는 제올라이트를 실험하는 가운데 암모니아와의 친화성을 발견하게 되었습니다.

이 돌은 냄새를 흡수하여 제거하는데 그 과정에서 불결한 냄새가 나는 기체 분자들을 벌집모양을 한 표면에 가두게 됩니다. 이때 흡수과정은 서로 상반되는 정전기의 전하가 끄는 힘으로 이어집니다. 제올라이트는 마이너스로 하전되어 있어 분극 된 분자에 접근하면 금방 돌에 흡수됩니다. 난센츠사의 돌들은 병원, 탈의실, 양념공장 등 다양한 장소에서 나오는 60여 가지의 악취를 제거합니다. 지난 3년간 이 돌은 휴스턴의 여러 가축 쇼와 로데오에 모인 6천 6백 마리의 동물이 방출하는 무서운 악취를 제거하는 데 큰 역할을 했습니다.

또 화학적으로 민감한 사람들을 위해 집에 '난센츠'제의 돌들을 두어 새로운 카펫과 가공목재 그리고 살충제에서 발산되는 강력한 냄새를 제거할 수 있다는 것이 드러났습니다. 그런데 이 탈취용 돌이 더 이상 냄새를 흡수할 수 없게 될 때는 재순환 시킬 수 있는데 돌을 밖에 놓아두면 속에 가둬 두었던 냄새를 방출하기 때문에 몇 번이고 다시 사용할 수 있습니다.

0. 고서적이나 고문서가 요즈음 것보다 더 오래가는 이유는?  

나무를 이용하여 종이를 만들게 됨으로써 서적과 신문의 대량 유통이 가능해졌습니다. 그러나 양피지, 벨럼 가죽, 넝마로 만든 종이 등과는 달리 펄프로 제조한 종이는 수명이 짧습니다. 이 때문에 현대의 책들은 보관 상태가 급속히 나빠지고 있는 것입니다.

문제는 펄프로 만든 종이에는 표백과정에서 생기는 산(酸)등 각종 화학물질이 함유되어 있다는 데 있습니다. 대부분의 독자들은 종이가 퇴색하기 훨씬 전에 책을 읽으므로 이것이 별문제가 되지 않죠. 그러나 도서관의 사서나 기록 보관자들의 입장에서는 심각한 문제입니다. 그것은 1850년 이후에 출판된 서적들이 모두 서서히 파손되고 있음을 의미하기 때문입니다.

현재 도서관 관리자들은 방대한 장서를 싼 비용으로 처리할 수 있는 방법을 찾으려 애쓰고 있습니다. 현재로서는 유일한 방법이 책의 장정을 뜯어서 책장을 한 장씩 처리하여 산을 제거하는 것뿐입니다. 이 방법은 귀중한 책장을 한 장씩 뜯어낼 수 있는 몇몇 초판본의 처리 방법으로는 타당성이 있겠지만 대다수의 서적에는 적용이 불가능합니다. 그러나 현재 몇몇 제지 공장들은 종이의 수명을 연장시키기 위하여 중성의 약품으로 처리한 종이를 생산하고 있습니다.