로런츠 힘을 이용해 전자를 가속시킨 '사이클로트론' 기초
보고자 하는 규모에 따라 크기, 원리 조금씩 달라
미국 신종플루 치료제 '타미플루' 개발 '비아그라'의 치료 효능을 규명
대한민국 삼성전자 반도체소자 불량률을 70%에서 10%로 개선
[문화뉴스 MHN 권성준기자] 최근 1조 원의 예산을 들여 건설되는 4세대 방사광 가속기가 치열한 경쟁 끝에 청주에 유치되어 많은 화제가 되었다. 도대체 방사광 가속기가 무엇이길래 많은 지자체에서 유치하려고 애를 썼던 것일까?
방사광 가속기는 입자 가속기의 일종이다. 이름 그대로 전자나 양성자를 가속시키는 장치로 대표적인 입자 가속기는 힉스 입자를 발견한 유럽 입자 물리 연구소(CERN)의 거대 강입자 충돌기(LHC)가 있으며 대한민국은 포항 공대가 가진 포항 방사광 가속기(PLS)가 있다.
전자나 양성자와 같이 전하를 띤 입자가 자기장 안에서 움직일 경우 '로런츠 힘'이라는 전자기력을 받게 된다. '로런츠 힘'은 전하에 의한 힘인 전기력과 전하의 흐름인 전류가 자기장에서 흐를 때 받는 힘인 자기력의 합으로 이루어졌다.
만약 전류와 자기장을 한 평면에 놓는다면 전하들이 받는 자기력은 해당 평면에 수직인 방향으로 작용하며 이를 오른손 법칙이라 부른다. 일반적으로 엄지의 방향을 전류의 방향, 네 손가락의 방향을 자기장의 방향이라 한다면 자기력은 손바닥을 뚫고 나오는 방향으로 작용한다.
이제 전하를 띤 입자를 도선이 아닌 공기 중에 쏘아주고 자기장을 걸어준다고 생각해보자. 입자는 자신의 운동 방향에 수직인 자기력을 받아 원운동을 하게 될 것이며 계속해서 자기력에 의한 힘을 받아 속도가 점점 빨라질 것이다.
이렇게 '로런츠 힘'을 이용해 입자를 가속시키는 장치를 '사이클로트론'이라 부르며 입자 가속기의 기초 원리가 된다. 자석을 배치하는 방법에 따라 직선 형태의 가속기도 만들 수 있다.
'사이클로트론'은 1932년 물리학자 어니스트 로런스(Ernest Lawrence, 1901~1958)가 발명하였으며 로런스는 '사이클로트론'의 발명 업적으로 1939년 노벨 물리학상을 수상한다.
한편 입자를 계속 가속시켜 빛에 가까운 속도를 만들게 되면 상대론적인 효과가 나타나게 된다. 빛에 속도에 가까운 아광속에 도달한 입자는 질량이 점점 커지게 되어 속도가 더 커져 광속에 도달하는 것을 방해한다.
현대의 입자 가속기들은 로런스가 만든 '사이클로트론'에서 이러한 상대론적 효과를 보완하여 광속의 99.999%보다 더 빠른 속도로 입자를 가속시킬 수 있는 장치다.
입자를 가속시키는 이유는 아광속까지 가속된 입자는 고에너지를 가지고 있어 이 입자를 다른 입자와 충돌시키면 여러 가지 반응이 일어나기 때문이다. LHC도 충돌이 일어나는 순간에 생성된 힉스 입자를 발견한 것이다.
일반적으로 입자 가속기는 크기가 클수록 더 큰 에너지를 생성해낸다. 그래서 역사상 가장 큰 과학 장비인 LHC는 둘레만 27km에 달한다. 하지만 이번 청주 방사광 가속기는 입자 물리학에서 사용하는 강입자 가속기보다는 크기가 작다.
쿼크 정도 크기의 입자를 보기 위해 입자와 입자를 충돌시켰던 LHC와 달리 청주 방사광 가속기는 가속된 입자를 통해 생성한 방사광을 이용해 분자 규모의 입자를 보는 가속기가 될 것이다.
방사광이란 무엇일까? 맥스웰 방정식에 의하면 전하를 띤 입자가 원운동과 같은 가속운동을 할 경우 전자기파를 방출하게 된다. 이 전자기파를 방사광이라고 부른다. 이번 방사광 가속기는 입자를 가속시켜 분자 규모의 입자를 관측하는데 아주 유용한 성질을 가진 X-선을 만들어 내는 가속기다.
이번 방사광 가속기는 4세대 방사광 가속기로 기존 3세대가 태양광의 100억 배 밝기의 방사광을 생성해내었던 것에서 더 발전하여 100경배 밝기의 방사광을 생성해낸다. 이러한 방사광을 이용해 단백질 구조 등을 파악하여 신약 개발에 유용하게 사용되며 반도체 공업에서도 많은 기여를 했다.
실제로 미국에서는 방사광 가속기로 단백질의 미세구조나 세포의 움직임을 실시간으로 파악해 신종플루 치료제 '타미플루'를 개발하였으며 '비아그라'의 치료 효능을 규명하기도 하였다.
대한민국에서는 삼성전자에서 기존 현미경으론 볼 수 없는 철강재의 결함을 파악해 광통신 반도체소자의 불량률을 70%에서 10%로 개선한 전례가 있다.
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[MHN 과학] 방사광 가속기 유치 시끌, 도대체 무엇이길래?, 1939 노벨 물리학상: 입자 가속기
로런츠 힘을 이용해 전자를 가속시킨 '사이클로트론' 기초
보고자 하는 규모에 따라 크기, 원리 조금씩 달라