| 레이저의 원리(16) | |
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| 스마트워치샀다배송중 | 2018-07-31 |
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Laser를 모르는 사람은 없을 거다. 아주아주 흔하게 쓰이잖아. 러브라이브 콘서트 할 때나 BTS 콘서트 할 때 그 하늘로 쏘아 올려지는 빛줄기. 그게 바로 레이저. 레이저는 이렇게 예쁘장한 데코용 뿐 아니라 기계를 만들고 철강을 자를 때에도 쓰고 성형할 때도 쓰고 의료용으로도 쓴다. 그러면 레이저가 뭘까. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 의 약자다. 유도방출 복사에 의한 빛의 증폭 이라는 말의 약자. 말이 참 거부감 들게 생겼다. 그치. 근데 하나하나 보면 아무것도 아니라는 거~ 내 글만 읽으면 중졸이라도 레이저에 대해 가나다라 할 수 있다는 거~ 빛 -> 유도방출 -> 복사 -> 증폭 순서로 써본다. 1. 빛 빛을 먼저 알아야 해. 빛이 뭐냐. 빛은 에너지다. 에너지의 형태야. 에너지가 뭐냐. 원자력에너지? 열에너지? 운동에너지 위치에너지? 전기에너지? 우주의 기운? 다들 에너지지. 근데 물리학적으로 보자면 에너지란 입자가 움직일 수 있게 하는 능력이다. 빛은 기본적으로 전자가 움직일 수 있게 하는 에너지의 일종. 에너지가 빛의 형태로 있다 라고 알면 되는데. 이게 잘 모르면 상상하기가 어려워. 빛은 파동이다. 파동이 뭐냐. 줄을 길게 잡고 위아래로 촥 한 번 흔들면 파동이 움직이잖아. 꿈틀거리면서. 그게 바로 파동이다. 위아래로 흔들리는 진동이 움직이는 것을 보고 파동이라 그래. 진동이 바로 에너지야. 만약 줄 위에 공을 하나 붙여놓는다고 생각해보자. 상상이 잘 안 되면 길다란 실 중간에 단추 하나 달아놨다고 쳐봐. 실을 잡은 손을 흔들면 실을 따라서 진동이 전달되겠지. 그러면 공/단추도 같이 흔들리겠지. 내 손이 움직인 그 진동이 공/단추에 전달된 것이다. 내 손이 만들어낸 에너지를 공/단추가 받아서 움직인 것. 이제 고대로 대입해보자. 한 전자가 진동을 했어. 그게 쭉 퍼지다가 다른 전자에 갔어. 그럼 그 전자도 같이 진동하게 된다. 이때 전달되는 실이 바로 빛이 되는 거야. 그러니까 원자 안의 전자가 진동을 하면 실이 뿜어져 나와. 이상해꽃 채찍처럼, 꼬북이 물줄기처럼. 그 실/채찍/물줄기가 빛인 거고, 그것이 다른 전자에 닿으면 전자가 똑같이 진동하는 것이고. 이제 좀 감이 오는지 모르겠다. 빛은 에너지가 전달되는 형태. 빛은 에너지야. 진동하는 그 자체가 바로 빛이야. 요점은 빛은 파동이라는 것. 진동하는 에너지라는 것. 전자가 움직이면 거기서 빛이 나온다는 것. 나중에 에너지에 대해서도 써보겠다. 아무튼 지금은 이것만 알면 돼. 다시 한 번, 전자가 움직이면 그 움직임이 전달되는 실이 뿜어져 나오는데 실은 꿈틀대고 이게 파동이고 이게 빛이다. 전자의 움직임에 따라 빛이 나오게 된다. (참고로 이게 바로 뉴턴이 만들고 완성한 고전 물리학을 완전히 깨부숴버린 맥스웰의 전자기학이 된다. 또한 아인슈타인이 노벨상 받은 광전효과로 이어진다.) 2. 유도 방출 방출이란 말이 이제 감이 좀 오시나? 전자가 움직이면 빛이 방출된다. 위의 말을 이제 이렇게 바꿔서 하자. 방출. 그런데 유도는 왜 붙느냐. 유도는 유도하다라는 말이야. 유도심문 할 때 그 유도. ‘빛을 방출하도록 유도한다’ 라는 유도. 레이져 안에는 어떤 기체나 고체 같은 물질들이 있다. 플라즈마 상태도 있지만 어려우니까 그냥 어떤 금속 덩어리가 있다고 하자. 그 금속에 전기를 흘려줘. 전기는 전자가 움직일 수 있는 에너지야. 오잉 빛이라며? 응. 빛도 전자에 닿으면 전자가 움직일 수 있게 해주지만 전기도 마찬가지야. (참고로 전기랑 빛은 똑같은 것이다. 그냥 이렇게만 알아. 전기가 빛이야. 빛이 전기고.) 아무튼 금속에 전기를 흘려주면 금속 원자 안에 있는 전자가 움직인다. 원자라는 작은 알갱이들이 예쁘게 줄맞춰서 잔뜩 붙어있는게 금속이거든. 각각의 원자마다 전자가 있단 말이야. 이 원자들의 전자는 뺑뺑이를 돌고 있어. 운동장의 트랙을 생각해보자. 가장 안쪽 트랙을 1번, 바깥쪽 트랙으로 갈수록 2번 3번이라고 하자. 3번트랙까지 있는 거야. 1번트랙을 돌다가 2번트랙으로 가면, 2번트랙이 더 길겠지? 긴 트랙을 돌아야 하니까 힘에 부치겠지? 원래 1번 트랙을 돌던 전자가 2번 트랙으로 가려면 에너지를 받아야 해. 이게 바로 금속에 전기를 흘려주는 거다. 금속 원자가 운동장이라고 치면 1번 트랙으로 빙빙 돌던 전자에 전기에너지를 먹여서 힘을 키워준 다음 2번 트랙으로 보내는 거야. 그러면 2번 트랙으로 곱게 돌면 되는데 전자는 1번 트랙을 선호해. 더 짧잖아. 돌기도 쉽고. 그래서 전자는 1번트랙으로 돌아와버린다. 그러면 먹었던 에너지를 내뱉어야 돼. 그게 규칙이야. 에너지를 내뱉을 때 위에 말했던 이상해꽃 채찍이 나오는 거야. 꼬북이가 1번 돌다가 물 먹고 2번트랙 돌다가 다시 1번으로 오면서 물줄기를 뱉는 거. 그 물줄기가 바로 빛이지. 전자가 1번에서 2번으로 갔다가 다시 1번 트랙으로 오면 빛이 나와. 이게 바로 방출의 원리. 그런데 유도 방출은 무엇이냐. 트랙을 꼬부기 10마리가 돈다고 쳐보자. 10마리가 도는데 얘네를 3번트랙으로 보내는 거야. 2번 지나서 바로 3번으로 돌만큼 전기를 먹여주는 거지. 그러면 꼬부기가 어니부기로 진화해. 근데 라이츄 되기 싫어서 징징대던 피카츄처럼 얘네도 진화하기 싫어해. 그래서 얘네는 물을 잔뜩 먹었다가 조금 물줄기를 뱉어내면서 2번트랙으로 와. 바로 1번트랙으로 오는 애도 있지만 그건 너무 급격한 코스 변화라서 2번 트랙으로 오는 애들이 많다. 예를 들어서 10마리가 3번 트랙으로 갔는데 4마리는 계속 3번을 돌고, 5마리는 2번으로 오고, 1마리는 1번으로 갔다고 해보자. 그러면 3번 트랙을 돌던 애들이 1, 2번 트랙으로 오면서 빛을 마구 방출해냈겠지. 이 빛이 어딜 가는게 아니라 다시 얘네가 먹어. 익 드러. 원자로 치면 다른 금속 원자의 전자에 닿는거야. 물줄기가. 아무튼 3번 돌던 꼬부기(전자)가 2번으로 오면서 뱉은 물줄기를 2번을 돌던 애가 다시 먹어. 그러면 얘는 에너지를 얻었으니 다시 3번으로 가겠지. 그렇게 계속해서 3번과 2번을 왔다갔다 거리면서 빛을 방출해. 또 3번에서 1번으로 온 애들은 빛을 잔뜩 방출했을거 아냐? 또 2번으로 내려왔으면서 다시 2번 트랙에서 1번 트랙으로 가는 애도 있을 거고. 1번트랙으로 가는 애들은 빛을 잔뜩 방출해. 그러면 1번 애들에게 다시 전기 에너지를 먹여서 2번트랙, 3번트랙으로 올라가게 만들어. 그러면 얘네가 다시 2번, 1번으로 내려오면서 빛을 방출하겠지? 여기서 유도 방출이란, 3번, 2번을 돌던 애가 1번으로 내려오면서 물줄기(빛)를 방출하는데 이 물줄기를 다른 원자의 1번트랙을 돌던 애들이 주워먹어서 2번, 3번트랙으로 올라간다는 거야. 그러면 그 올라간 애들이 또 1번트랙으로 오면서 물줄기를 내뱉겠지. 빛이 나오는 거야. 처음에 올라갔던 애들이 내뱉은 빛이 다른 애들도 2, 3번 트랙으로 올라가도록 유도한다고 해서 이게 바로 유도 방출이 되는 것. 즉 1번 트랙 돌던 전자에 전기 에너지를 먹여서 2번 3번으로 보내주고 2번 3번 트랙 돌던 애들이 2번 1번으로 떨어지면서 빛을 방출한다. 그리고 2번에 있는 애들은 이 빛을 먹고 다시 3번으로 올라갔다가 다시 떨어진다. 3. 복사 radiation Laser에서 복사는 큰 의미 없는 말이다. 그냥 물줄기를 쏘는데 어느 특정한 방향으로 쏘지 않는다는 거야. 꼬부기가 물줄기를 한 방향으로 쏘는게 아니라 머리를 360도 돌리면서 사방으로 동시에 쏘는것. 잔디밭에 스프링쿨러, 터진 소화전처럼 원모양으로 사방팔방으로 동시에 빛을 내보낸다는 것. 4. 증폭 이게 레이저에서 중요하다. 레이저는 결국 증폭된 빛이다. 하나 짚고 가자. 바로 위 2. 유도방출에서 2번 트랙 전자가 다시 빛을 먹고 3번으로 간다고 했잖아. 왜 1번 2번 트랙만으로 하지 않고 2번 3번으로 하느냐. 1 -> 2트랙 보다 2 -> 3번트랙 가는 에너지가 적게 들거든. 더 많은 전자들이 더 적은 에너지로 올라갈 수 있다. 전기에너지를 1번 트랙 애들이 2번, 3번 트랙으로 올라갈 때만 먹는 게 아니고 2번 트랙에 있는 애들이 3번으로 가는 게 더 싸게 먹힌다는 거. 뿐만 아니라 3번 애들이 2번으로 오면서 내뱉은 빛을 모두 2번트랙 애들이 주워먹지는 않아. 그 남는 빛들이 복사가 되는 거야. 사방팔방으로. 그러니까 3 -> 2번 트랙, 2 -> 1번 트랙으로 전자가 안쪽 트랙으로 옮겨오면서 빛을 내뿜어. 이 빛은 사실 엄청 약하다. 그래서 증폭을 시켜준다. 증폭시키는 방법은 아주아주 간단. 금속 한쪽에서 유도방출이 일어나 빛이 나오게 되면 반대쪽에 거울을 설치해서 반사되게 하는 거. 그러면 빛이 왔다갔다 하면서 점점 세진다. 엄청 세진다. 빛은 진동이고 파동이라고 했지. 기본적으로 빛은 물결모양 파동인데 같은 모양 파동이 겹치게 되면 세기가 세져. 존나 쎼져. 우리가 보는 레이져 빛처럼 아주 또렷하고 강렬한 빛이 돼. 거울을 설치할 때 이 파동 모양이 어떻게 생길지 미리 예측을 한 다음 빛의 파동, 물결모양이 서로 서로 겹치도록 거리를 정해서 거울을 설치하는 거야. 그니까 수없이 많은 꼬북이들이 안쪽 트랙으로 오며 내뱉는 물줄기, 물결모양 고불고불 물줄기들을 모두 같은 모양으로 겹칠 수 잇게 거울을 설치 하는 거야. 빛은 거울에서 반사되잖아. 겹쳐진 빛이 다시 반사되어 오면서 나오는 빛이랑 겹쳐지고 다시 겹쳐지고 다시 겹쳐지고. 그러면서 빛이 세진다. 파동이 겹친다는 것을 좀 더 상세히 설명해줄게. ~ 이게 있잖아. 왼쪽이 올라가고 오른쪽이 내려오고. ~ 이게 위쪽 물결이랑 겹쳐지지. 봐봐. 올라간 부분이 똑같이 올라갔고, 내려간 부분이 똑같이 내려갔잖아. ~~~~ ~~~~ 이거 두 줄을 봐봐. 올라간 부분 내려간 부분 겹치지? 위에것이 내뱉은 물줄기고 아래것이 거울에 반사되어 돌아오는 물줄기야. 두빛이 겹쳐지지. 그런데 ~~~~ ~~~~ 이렇게 살짝 어긋나있다면? 나오는 빛과 반사되어 돌아오는 빛이 올라간 부분과 내려간 부분이 겹치는 위치에 있다면? 빛은 사라져버려. 이 겹치는 것을 거울 사이의 거리로 조절해줄 수가 있다 이 말이야. 다시 한 번 설명하면 내뱉은 빛을 계속 반사시키면서 뺑뺑이를 돌리는데 같은 물결로 겹치게 만들어주는 것이 증폭이다. 그러면 빛이 엄청 쎄진다. ㅣ~~~~~ㅣ ㅣ~~~~~ㅣ ㅣ 이게 거울이고 양쪽에 설치되어 있지. 왼쪽에서 빛이 물결모양으로 나오고 반대쪽에서 빛이 돌아오면 겹쳐지고. 그게 계속 겹쳐지는 거. 이렇게 되는 것이 증폭이다. 증폭. 빛의 증폭. 증폭시킨 빛을 어느 순간 자그마한 구멍으로 새어나가게 해주면 그게 바로 레이져가 된다. 5. 정리 어떤 물질에 전기를 흘려주면 전자가 에너지를 받아서 바깥쪽 트랙으로 옮긴다. 그런데 원래 트랙으로 돌아오려고 하고, 그러면서 받은 에너지를 내뱉는데 이게 빛이다. 이 빛을 계속 거울에 반사시켜서 증폭시킨다. 그 증폭된 빛이 한 줄기로 나오는 게 바로 레이저다. 6. 잡소리 - 유도방출 말고도 2가지의 방출 종류가 더 있다. 그러나 여기서 말할 건 안 되고, 아인슈타인이 이 유도방출 발견에 큰 기여를 했다. 레이저는 아인슈타인의 작품. - 레이저는 정말 다양한 분야에서 쓰인다. 컴퓨터에도 들어가고 공장에서도 쓰이고 프레젠테이션에서도 쓰인다. 위의 정리를 보면 알겠지만 아주 간단한 원리이다. 그리고 만들기도 엄청나게 쉽다. 이미 많이 밝혀졌거든. 그래서 중국산 싸구려 500원짜리 레이저도 나오는 것이다. 그러나 이 빛의 세기는 그리 세지가 않다. 공장이나 의료용으로 쓰이는 레이저의 경우 그 에너지가 아주 강력하다. 그러려면 빛이 많이 나와야 하고 증폭도 많이 되어야 한다. 크기가 엄청 커저야 한다는 말씀. 그 에너지를 감당할만큼 견고해야 하고. 그렇게 되면 레이저가 강력해지는 것이다. - 스타워즈에 나오는 광선검은 말이 안 된다. 빛이 그렇게 한 덩어리로 뭉쳐있기는 어렵다. 왜냐하면 복사의 성질이 있기 때문이다. 빛은 사방팔방으로 쭉 뻗어나가려고 하지 그렇게 모여서 일정정도까지만 진행하지 않는다. 또 그런 정도로 강력한 세기의 빛은 실제로 있기가 어렵다. 사람을 잘라내고, 강철도 잘라내는 광선검인데 그정도의 에너지를 가지려면 그런 작은 손잡이로는 만들 수가 없다. 물리적으로 불가능하다. - 무기로 레이저도 쓰인다. 레이저가 아주아주 강력해지면 그게 수킬로미터 밖의 탱크도 뚫을 수가 있다. 그러나 전기가 너무 많이 쓰이고 시간도 오래 걸린다. 실제 연구실에서 쓰이는 레이저의 경우에도 전기에너지를 공급하는 시간이 걸린다. 만족할만한 증폭을 얻는 데에도 시간이 걸리기도 한다. 또 빛은 거리를 진행할수록 제곱분의 일로 에너지가 줄어들게 된다. 1 1/4 1/9 1/16처럼 줄어든다. 이걸 최대한 줄인 것이 레이저지만 무기로 상용화 하기는 좀 어렵다. 아주 가까운 거리에서 강도들이 철문을 뚫는다거나 할 때는 가능할지도 모르겠다. - 레이저는 요새 예술에도 쓰이곤 하는데 난 2000년에 구겐하임 미술관에서 백남준 회고전의 메인 작품을 아주 좋아한다. https://youtu.be/THwy8y0TtSI ‘야곱의 사다리’라는 작품이다. 구겐하임 미술관의 가운데가 천장으로 뻥 뚫린 구조를 이용한 작품으로 떨어지는 물줄기로 레이저를 사다리처럼 쏴올리는 작품이다. 야곱의 사다리는 성경에 나오는 건데 야곱이라는 사기꾼양아치도둑놈 인성파탄자가 있었다. 어느날은 아버지한테 축복 물건을 훔친다. 그러다 걸려서 아버지가 죽여야겠다 하는데 여동생이 빼돌린다. 도망가는 길에 하나님이 내려주신 사다리를 만났는데 그 사다리를 타고 올라가니 하나님과 천사들이 일을 하는 모습을 봤다고 한다. 하나님의 백성들을 인도하고 먹이는 모습들. 2000년이면 백남준이 뇌성마비 걸리고 하반신 마비가 되고 휠체어 타던 때다. 그때 손가락으로 인부들한테 버럭버럭 지시해가면서 만든 작품이 바로 야곱의 사다리. 구겐하임 미술관에서 새시대를 들어 이 시대를 여는 미술가로 백남준을 꼽았고, 그는 회고전을 열면서 이 작품을 냈다. 백남준이 죽음에 가까워졌을 때, 몸이 극도로 약해졌을 때 그가 죽음을 어떻게 생각했는지 너무나 명확히 알 수 있는 작품이다. 참고로 백남준은 크리스쳔 아니고, TV부처라는 작품도 했고 선불교를 좋아하며 한국의 무속신앙을 선망했던 사람. **내가 썼던 글** (보고 돈좀 달라고 !) - 과학 양자물리학 세계 https://m.idpaper.co.kr/counsel/item/item_view.html?cnslSeq=367157 사람 눈과 신경계 https://m.idpaper.co.kr/counsel/item/item_view.html?cnslSeq=365870 -기술 반도체 원리와 제조 공정 https://m.idpaper.co.kr/counsel/item/item_view.html?cnslSeq=359890 터치스크린 종류와 원리 https://m.idpaper.co.kr/counsel/item/item_view.html?cnslSeq=360593 저장매체의 역사와 원리 https://m.idpaper.co.kr/counsel/item/item_view.html?cnslSeq=361255 디스플레이의 역사와 원리 https://m.idpaper.co.kr/counsel/item/item_view.html?cnslSeq=364654 원자력 발전의 원리 https://m.idpaper.co.kr/counsel/item/item_view.html?cnslSeq=364941 |
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와 이언니 정체가 뭐뇽... 교수세여? |
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| ch******** | 2018-08-01 | |
| 답글쓴이 돈주기 |
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| 수능 비문학 읽는줄ㅋㅋㅋ | ||
| 잉 | 2018-08-01 | |
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| 언니글에서 쉽게 비유들어서 설명하는거 넘 기여워 앞으로도 계속 써조요 | ||
| fr******* | 2018-08-01 | |
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| 오오옹....정리부분만봤따.. | ||
| o2*** | 2018-08-01 | |
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| 언니왔다!!!!! | ||
| evo** | 2018-08-01 | |
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| 언니 선 딸러! 후스크랩! | ||
| 고걸 | 2018-08-01 | |
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| 이런 뇌섹녀같으니..8달러! | ||
| sa**** | 2018-08-01 | |
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| 옛다! | ||
| cu** | 2018-08-01 | |
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| 돈줫어 | ||
| Wedonttalk | 2018-08-03 | |
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| 일단 돈은 주는데 이거모아서 뭐함?ㅋ | ||
| dr******* | 2018-08-03 | |
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| 돈이 나와야 이런 도움이되는 글이 더 나오는 선순환구조~~ 언니 부자되라 | ||
| st******** | 2018-10-05 | |
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이번편도 너무 재밌다 잘 보고 있습니다! |
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| mj***** | 2018-10-05 | |
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| 돋드렸음~ | ||
| so******** | 2020-01-03 | |
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ㅋㅋㅋ존나 멋잇다 물론 읽진 않았다 |
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| 59**** | 2020-01-03 | |
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미술 검색했는데 이 글 나왔어 백남준 작품 멋있다 ㅠㅠ 고마워 |
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| je******** | 2020-01-14 | |
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| Ty | ||
| so********** | 2021-09-24 | |
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