[Aether 물리] #33 양자역학편 - 자석, 자성, 자기 데이터 저장
매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.
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자석
자석이란 무엇일까요? 앞서 전하를 띠는 입자가 움직이면 자기장이 만들어진다는 것은 맥스웰이 공식으로 밝혀냈습니다. 그런데 움직이지 않고서 자성을 갖는 물질은 어떻게 만들어 진 것일까요?
우리가 흔히 보는 자석이지만, 천연 자철석이 어떻게 스스로 자기장을 만드는지는 오랜 시간 미스터리였습니다.
자성을 띠는 대부분의 물질은 철 원소를 포함하고 있습니다. 그런데 어떤 것은 철을 함유하고 있지만 자성이 없습니다. 따라서 철 원소가 관여하지만, 특정한 구조를 가질 때 자성을 가진다고 생각해 볼 수 있습니다.
자성을 지닌 물체는 몇 가지 특징이 있습니다.
- N극이 자기장과 같은 방향을 향하면 에너지가 가장 낮음
- 자기장과 반대 방향이면 에너지가 가장 높음
이 현상이 나침반의 작동원리입니다. 지구의 핵에 흐르는 전류는 어마어마한 자기장을 생성하는데, 지표면의 모든 지점은 특정 방향을 향하는 작은 자기장이라고 할 수 있습니다. 가벼운 영구 자석인 나침반 바늘은 자유롭게 회전하므로 에너지를 최소화하기 위해 N극이 지구의 북극을 향하게 됩니다.
여기서 잠깐!
이더 물리에서는 지구 자기장이 지구 내핵의 철 때문이 아니라고 합니다. 내핵의 온도는 5400도 정도로 매우 뜨거운데, 철은 약 770도에서 자성을 잃게 됩니다. 이 부분은 아직 주류 과학에서도 제대로 설명을 못하는 것으로 보입니다.
자성
자석을 한개 놓으면 N극에서 바깥으로 향해 나가고, S극에서 안으로 들어가는 자력선 고리를 형성합니다.
그런데 자석을 위 아래로 놓으면, 에너지를 최소화하기 위해 자석들의 N극은 모두 같은 방향을 가리킵니다. 그래서 위그림의 가운데처럼 자기장이 합쳐져서 강한 자석이 됩니다. 자석들을 옆으로 배치하면 서로 다른 N극을 가리키리려고 하고, 이로 인해 자기장이 상쇄되어 자성이 약해집니다.
대부분의 물질은 3차원 구조에서 입자가 나란히 배치됩니다. 따라서 자성이 있더라도 자기장이 상쇄되어 자성을 띠지 않게 됩니다. 철이나 크롬과 같이 아무리 자성이 큰 원자라도 분자나 결정 안에서는 에너지를 최소로 하기 위해 이웃한 원자와 N극을 반대로 하려고 하므로, 광물이나 합금과 결합하면 자성을 잃게 됩니다.
결론적으로, 영구 자석은 자성을 띠는 입자들의 N극이 모두 같은 방향을 가리켜야 합니다. 그런데 이와 같은 구성은 자기 상호작용으로만으로 불가능합니다. 여기에 파울리의 배타 원리가 또 적용됩니다.
간단히 요약하면, 자성은 전자들이 가진 자성에 의해서 생깁니다. 주기율표 가장자리에 있는 원소들은 전자들이 쌍을 이뤄 대부분 자성이 상쇄되지만, 주기율표 가운데 원소들은 바깥 껍질이 반만 채워진 상태라 전자 배치 방법이 다양합니다. 전자가 배치될 때, 파울리의 배타원리를 따르면서 전자들의 스핀이 같은 방향으로 될 때, 강한 자성을 띠게 되는 것입니다.
설명이 어려운데, 자성을 띠는 조건, 즉 전자의 스핀 방향이 같은 방향이 되는 조건이 선호될 수 있기 때문에, 자성을 가진 물체가 존재할 수 있다고 요약될 수 있겠습니다. 추가적으로 전자의 스핀 정렬뿐만 아니라 원자끼리도 스핀 방향을 정렬해야 영구 자석이 됩니다.
앞서 잠시 살펴봤듯이, 자성체는 특정 온도를 넘어서면 전자가 정렬하지 않아서 자성을 잃게 되는데, 이러한 고유 온도를 '퀴리 온도'라고 부릅니다.
자기 데이터 저장 장치
자성의 성질을 이용하여 만들어진 것이 바로 자기 데이터 저장 장치입니다. 자기장을 크게 걸어주면 자성을 띠는 전자들의 방향을 바꿀 수가 있고, 이렇게 바뀐 방향은 유지가 됩니다. 현대의 하드디스크(HDD)는 전자석이 디스크에 있는 전자들의 방향을 바꾸어 디지털 정보를 저장하고, 자기장 패턴을 감지하여 저장된 정보를 0,1의 디지털 값으로 변환합니다.
참고
양자역학은 다음 책을 참고했습니다.