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공부의 주체는 학생이며 스스로 질문하고 답변할 때 진정한 공부가 이뤄진다고 믿는다.
학생들이 이런 능력을 갖출 때까지 끊임없이 자극하고 격려하는 사람이 되기 위해 노력하고 있다.
실험의 역사는 16세기 갈릴레오 갈릴레이의 시대까지 거슬러 올라간다. 실험은 자연을 이해하는 과정에서 우리가 이해한 것이 옳은지 그른지에 대한 근거를 제공한다. 우리는 자연에 대한 궁금증을 해결할 목적으로 자연을 인위적으로 조작한다. 이런 실험 도구들은 과학기술의 발달로 더 정밀하고 더 편리하게 변했다. 이 글에서는 과학동아 11월호에 실린 ‘X선 광전자분광법’을 알아본다. X선 광전자분광법의 원리는 ‘빛을 시료에 쏘면 빛의 광자가 가진 에너지가 시료의 원자 내에 양자화된 전자에게 전달되고 그 결과 에너지 손실 없이 전자가 방출된다’라는 앨버트 아인슈타인의 광전효과에 근거한다. 이 분석법은 1960년대 스웨덴의 물리학자 카이 시그반에 의해 널리 사용됐다. 그는 X선 광전자분광법으로 1981년 노벨 물리학상을 받았다.
※다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) X선을 물질에 쪼여 튀어나온 전자들의 에너지 스펙트럼을 분석해 물질의 특성을 알아내는 방법을 ‘X선 광전자분광법’이라고 한다. 물질은 어떤 원소들이 어떻게 결합돼 있는지에 따라 전자들의 속박에너지가 다르다. 물질에 쪼인 X선 에너지에서 광전효과로 튀어나온 전자들의 에너지를 빼면 속박에너지를 구할 수 있는데, 이를 분석해 그 물질이 무엇인지 또 어떤 원자들이 결합돼 있는지 알아낸다.
금속 같은 물질에 일정 진동수 이상의 빛을 쪼이면 물질 표면에서 전자가 원자핵의 인력을 이기고 튀어나오는 현상을 광전효과라고 한다. 원자핵이 전자를 끌어당기는 에너지를 ‘속박에너지’라고 하는데, 전자는 X선 에너지에서 원자핵의 속박에너지를 뺀 값만큼 에너지를 갖고 튀어나온다. 상대성원리로 유명한 아인슈타인은 이 현상을 빛이 입자의 성질을 갖기 때문이라고 설명한 공로로 1921년 노벨 물리학상을 받았다.
- 과학동아 2008년 11월호
(나) 금속 표면에 자외선과 같은 파장이 짧은 빛을 비추면 전자가 방출되는데 이것을 광전자라 한다. 특정한 진동수 이하의 빛은 아무리 강하게 비춰도 광전자가 방출되지 않으며 특정 진동수 이상의 빛은 약하더라도 광전자를 방출시킨다. 금속에 충분한 에너지를 가진 빛을 쏘면 내부의 전자가 빛의 에너지를 받아 튀어나오는 현상이 발생한다.
아인슈타인은 빛을 ‘진동수에 비례하는 에너지를 갖는 광량자’로 이해했다. 1923년 아서 콤프턴은 X선을 금속 박막에 쪼이면 산란되는 X선 파장이 입사된 X선 파장보다 길어지는 현상을 관찰했다. X선이 에너지와 운동량을 갖는 입자인 ‘광자’라고 가정하면 이 현상은 X선 광자와 금속 박막 내부의 전자가 충돌할 때 에너지보존 법칙과 운동량보존 법칙이 성립한다는 점으로 설명할 수 있다.
- 2009학년도 한양대 수시 2학기 논술고사 기출문항
(다) 두 눈으로 몸속을 보기 전, 의사들은 문진(問診), 소리, 냄새로 환자들을 진찰했다. 그것은 마치 공이 여러 개 든 종이 상자를 흔드는 기분이 아니었을까. 공이 이리저리 부딪히는 소리는 들리지만 그 공이 무엇인지, 어떤 재질인지 정확히 알 수 없다. 둔탁한 소리가 들리면 골프공이고, 가벼운 소리가 들리면 탁구공이라고 추측할 뿐이다. 감각의 80%를 시각에 의존하는 인간에게 눈으로 확인할 수 없다는 것은 큰 한계였다. 그러나 이제는 눈으로 몸속을 볼 수 있게 되었다. 원리는 X선이나 자기장의 ‘투과성’이다. X선이나 자기장은 인체 각 조직의 성분과 밀도에 따라 투과되는 에너지 양이 다른데, 과학자들 이런 차이를 영상으로 드러냈다.
- 과학동아 2008년 2월호
(라) 수소 원자 2개가 전자 2개를 공유해 수소 분자를 만들면 수소원자들은 전자 두 개를 치우침 없이 공유한다. 하지만 염산은 어떨까. 염소는 수소에 비해 전자친화도가 높기 때문에 염소와 수소가 전자를 공유하더라도 전자는 염소 원자에 더 가까이 있다. 그래서 염산(H-Cl)의 결합은 이온결합으로 볼 수 있다. 1932년 라이너스 폴링은 전기음성도라는 개념을 도입해 이온결합과 공유결합의 정도를 수치화했다. 전기음성도는 특정 원자가 화학결합을 이루는 전자를 끌어당기는 정도를 나타낸다.
- 과학동아 2006년 12월호
1) X선 광전자분광법을 이용해 얻은 전자들의 운동에너지는 다양한 값을 갖는다. 그래프를 이용해 전자의 속박에너지를 구하는 방법을 제시하고 이용한 정보 타당성에 대해 설명하라.
2) 그림은 폴리우레탄에 X선 광전자분광법을 실험해 얻은 그래프다. 폴리우레탄을 구성하는 원소 중 그래프의 A, B, C에 해당하는 원소를 선택하고 그 이유를 설명하라.
3) 화합물의 X선 광전자분광 그래프의 최대값을 확대하면 최대값 근처에 여러 값이 존재한다. 그림은 삼플루오르화아세트산에틸이라는 화합물에 X선을 쪼였을 때 탄소로부터 방출되는 1s 광전자의 최대값을 확대한 그래프다. 화합물의 구조식도 함께 나와 있다. 그래프의 A, B, C, D에 해당하는 구조식의 탄소를 선택하고 그 이유를 설명하라.
전문가 클리닉
1) ‘광전효과’와 ‘전자의 속박에너지’에 대한 개념을 충분히 알고 있어야 합니다. 이 두 가지 개념과 에너지보존 법칙을 바탕으로 속박에너지를 얻을 수 있는 방법을 구상합니다.
2) 고교과정에서 배우는 ‘원자의 구조’와 ‘원자번호의 증가가 의미하는 바’를 정확히 알고 있어야 합니다. 이런 배경지식과 그래프로부터 얻어낸 전자 A, B, C에 대한 정보를 이용해 답을 추론합니다.
3) 문제를 해결하기 위한 배경지식으로 고교과정에서 배우는 ‘전기음성도의 정의’와 ‘원자번호 증가에 따른 전기음성도의 변화’를 알고 있어야 합니다. 특히 논제 1의 결과를 알고 있어야 주어진 자료를 분석할 수 있습니다.
예시답안
1) X선은 빛 알갱이인 광자로 볼 수 있다. X선은 다른 빛 알갱이에 비해 투과력이 크다. 투과력이 큰 X선을 광전자분광법을 이용해 분석하려는 대상(시료)에 쪼면 일부는 시료 표면에 있는 원자의 전자에 흡수되고 일부는 표면 아래로 뚫고 내려간다.
원자에 공급되는 X선의 양은 시료 표면에서 최대이고 표면 아래로 내려갈수록 감소한다. 전자들은 X선 에너지를 흡수한다. 흡수한 에너지가 전자의 속박에너지보다 큰 경우, 전자는 속박에너지를 제외한 에너지만큼 운동에너지로 갖고 표면을 탈출한다. 표면 아래에 있는 원자의 전자도 마찬가지로 X선으로부터 공급된 에너지에서 전자의 속박에너지를 제외한 만큼의 에너지를 갖고 원자를 탈출한다.
표면 아래에 있는 전자가 시료를 탈출하기 위해서는 시료 표면까지 이동해야 하는데 이 과정에서 전자는 원자와 충돌한다. 충돌은 비탄성 충돌이기 때문에 전자는 운동에너지의 일부를 잃는다. 결국 X선 에너지를 흡수해 표면을 탈출한 두 종류의 전자는 서로 다른 운동에너지를 갖는다. 운동에너지의 크기는 표면에서 방출된 전자가 내부에서 표면까지 이동해 방출된 전자의 운동에너지보다 크다. 시료 표면에서 X선을 많이 흡수하므로 전자 수는 표면에서 방출된 전자 수가 내부에서 표면까지 이동해 방출된 전자 수보다 많다. 즉 400eV의 운동에너지를 갖는 전자보다 500eV의 운동에너지를 갖는 전자 수가 많고 운동에너지 손실도 적다.
전자의 속박에너지는 제시문을 바탕으로 다음과 같이 구한다.
hf=Ek (전자의 운동에너지)+EB (전자의 속박에너지)+Eother (기타 에너지)
EB=hf-Ek-Eother
EB를 구하기 위해서는 Eother를 알아야 한다. Eother 크기는 Ek가 500eV일 때 0이다. Ek가 500eV일 때를 선택하면 전자의 속박에너지를 구할 수 있다.
2) 원자번호가 증가하면 원자핵 속의 양성자 즉 양전하 양이 증가한다. 원자는 항상 전기적으로 중성을 유지하므로 양성자 수가 증가하면 전자 수도 증가한다. 원자 내 전자는 전자껍질에 분포한다. C, N, O의 경우 원자번호가 증가하면 핵의 전하량이 증가해 전자에 더 큰 속박에너지가 작용한다.
그래프에서 A, B, C는 X선 광전자분광법을 실험한 결과 검출된 전자 가운데 원자의 가장 안쪽껍질인 1S에 존재하는 전자다.
전자들에 가해지는 속박에너지의 크기는 A＞B＞ C이다. 그러므로 양성자 수 역시 A＞B＞C이다. 원자번호에 따른 양성자 수를 생각하면 탄소는 6개, 질소는 7개, 산소는 8개이므로 핵전하가 가장 큰 산소는 A이며 핵전하가 가장 작은 탄소는 C이다. 질소는 O와 C 사이 값을 가져 B가 된다.
3) 그래프에서 튀어나온 전자들의 운동에너지 크기는 D＞C＞B＞A이다. 논제 1에서 의하면 속박에너지의 크기는 EB =hf-Ek다. 여기서 동일한 파장의 X선을 쪼이면 전자를 속박하는 에너지 크기가 클수록 전자의 운동에너지는 작다. 이를 적용하면 속박에너지의 크기는 A＞B＞C＞D 이다.
삼플루오르화아세트산에틸의 구조식을 보면 화합물을 구성하는 탄소 원자는 화학적 환경이 모두 다르다. 구조식의 맨 왼쪽에 있는 탄소 원자는 주변의 플루오르 원자에게 원자가전자를 많이 빼앗기는 환경에 있다. 그러나 오른쪽으로 갈수록 탄소원자는 전기음성도가 작은 원자에 둘러싸여 있으므로 원자가전자를 더 적게 빼앗긴다. 따라서 전자의 속박에너지가 오른쪽으로 갈수록 작아진다. 따라서 각각의 자료에 해당하는 탄소는 다음과 같다.
학생들이 이런 능력을 갖출 때까지 끊임없이 자극하고 격려하는 사람이 되기 위해 노력하고 있다.
실험의 역사는 16세기 갈릴레오 갈릴레이의 시대까지 거슬러 올라간다. 실험은 자연을 이해하는 과정에서 우리가 이해한 것이 옳은지 그른지에 대한 근거를 제공한다. 우리는 자연에 대한 궁금증을 해결할 목적으로 자연을 인위적으로 조작한다. 이런 실험 도구들은 과학기술의 발달로 더 정밀하고 더 편리하게 변했다. 이 글에서는 과학동아 11월호에 실린 ‘X선 광전자분광법’을 알아본다. X선 광전자분광법의 원리는 ‘빛을 시료에 쏘면 빛의 광자가 가진 에너지가 시료의 원자 내에 양자화된 전자에게 전달되고 그 결과 에너지 손실 없이 전자가 방출된다’라는 앨버트 아인슈타인의 광전효과에 근거한다. 이 분석법은 1960년대 스웨덴의 물리학자 카이 시그반에 의해 널리 사용됐다. 그는 X선 광전자분광법으로 1981년 노벨 물리학상을 받았다.
※다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) X선을 물질에 쪼여 튀어나온 전자들의 에너지 스펙트럼을 분석해 물질의 특성을 알아내는 방법을 ‘X선 광전자분광법’이라고 한다. 물질은 어떤 원소들이 어떻게 결합돼 있는지에 따라 전자들의 속박에너지가 다르다. 물질에 쪼인 X선 에너지에서 광전효과로 튀어나온 전자들의 에너지를 빼면 속박에너지를 구할 수 있는데, 이를 분석해 그 물질이 무엇인지 또 어떤 원자들이 결합돼 있는지 알아낸다.
금속 같은 물질에 일정 진동수 이상의 빛을 쪼이면 물질 표면에서 전자가 원자핵의 인력을 이기고 튀어나오는 현상을 광전효과라고 한다. 원자핵이 전자를 끌어당기는 에너지를 ‘속박에너지’라고 하는데, 전자는 X선 에너지에서 원자핵의 속박에너지를 뺀 값만큼 에너지를 갖고 튀어나온다. 상대성원리로 유명한 아인슈타인은 이 현상을 빛이 입자의 성질을 갖기 때문이라고 설명한 공로로 1921년 노벨 물리학상을 받았다.
- 과학동아 2008년 11월호
(나) 금속 표면에 자외선과 같은 파장이 짧은 빛을 비추면 전자가 방출되는데 이것을 광전자라 한다. 특정한 진동수 이하의 빛은 아무리 강하게 비춰도 광전자가 방출되지 않으며 특정 진동수 이상의 빛은 약하더라도 광전자를 방출시킨다. 금속에 충분한 에너지를 가진 빛을 쏘면 내부의 전자가 빛의 에너지를 받아 튀어나오는 현상이 발생한다.
아인슈타인은 빛을 ‘진동수에 비례하는 에너지를 갖는 광량자’로 이해했다. 1923년 아서 콤프턴은 X선을 금속 박막에 쪼이면 산란되는 X선 파장이 입사된 X선 파장보다 길어지는 현상을 관찰했다. X선이 에너지와 운동량을 갖는 입자인 ‘광자’라고 가정하면 이 현상은 X선 광자와 금속 박막 내부의 전자가 충돌할 때 에너지보존 법칙과 운동량보존 법칙이 성립한다는 점으로 설명할 수 있다.
- 2009학년도 한양대 수시 2학기 논술고사 기출문항
(다) 두 눈으로 몸속을 보기 전, 의사들은 문진(問診), 소리, 냄새로 환자들을 진찰했다. 그것은 마치 공이 여러 개 든 종이 상자를 흔드는 기분이 아니었을까. 공이 이리저리 부딪히는 소리는 들리지만 그 공이 무엇인지, 어떤 재질인지 정확히 알 수 없다. 둔탁한 소리가 들리면 골프공이고, 가벼운 소리가 들리면 탁구공이라고 추측할 뿐이다. 감각의 80%를 시각에 의존하는 인간에게 눈으로 확인할 수 없다는 것은 큰 한계였다. 그러나 이제는 눈으로 몸속을 볼 수 있게 되었다. 원리는 X선이나 자기장의 ‘투과성’이다. X선이나 자기장은 인체 각 조직의 성분과 밀도에 따라 투과되는 에너지 양이 다른데, 과학자들 이런 차이를 영상으로 드러냈다.- 과학동아 2008년 2월호
(라) 수소 원자 2개가 전자 2개를 공유해 수소 분자를 만들면 수소원자들은 전자 두 개를 치우침 없이 공유한다. 하지만 염산은 어떨까. 염소는 수소에 비해 전자친화도가 높기 때문에 염소와 수소가 전자를 공유하더라도 전자는 염소 원자에 더 가까이 있다. 그래서 염산(H-Cl)의 결합은 이온결합으로 볼 수 있다. 1932년 라이너스 폴링은 전기음성도라는 개념을 도입해 이온결합과 공유결합의 정도를 수치화했다. 전기음성도는 특정 원자가 화학결합을 이루는 전자를 끌어당기는 정도를 나타낸다.
- 과학동아 2006년 12월호
1) X선 광전자분광법을 이용해 얻은 전자들의 운동에너지는 다양한 값을 갖는다. 그래프를 이용해 전자의 속박에너지를 구하는 방법을 제시하고 이용한 정보 타당성에 대해 설명하라.2) 그림은 폴리우레탄에 X선 광전자분광법을 실험해 얻은 그래프다. 폴리우레탄을 구성하는 원소 중 그래프의 A, B, C에 해당하는 원소를 선택하고 그 이유를 설명하라.
3) 화합물의 X선 광전자분광 그래프의 최대값을 확대하면 최대값 근처에 여러 값이 존재한다. 그림은 삼플루오르화아세트산에틸이라는 화합물에 X선을 쪼였을 때 탄소로부터 방출되는 1s 광전자의 최대값을 확대한 그래프다. 화합물의 구조식도 함께 나와 있다. 그래프의 A, B, C, D에 해당하는 구조식의 탄소를 선택하고 그 이유를 설명하라.
전문가 클리닉
1) ‘광전효과’와 ‘전자의 속박에너지’에 대한 개념을 충분히 알고 있어야 합니다. 이 두 가지 개념과 에너지보존 법칙을 바탕으로 속박에너지를 얻을 수 있는 방법을 구상합니다.
2) 고교과정에서 배우는 ‘원자의 구조’와 ‘원자번호의 증가가 의미하는 바’를 정확히 알고 있어야 합니다. 이런 배경지식과 그래프로부터 얻어낸 전자 A, B, C에 대한 정보를 이용해 답을 추론합니다.
3) 문제를 해결하기 위한 배경지식으로 고교과정에서 배우는 ‘전기음성도의 정의’와 ‘원자번호 증가에 따른 전기음성도의 변화’를 알고 있어야 합니다. 특히 논제 1의 결과를 알고 있어야 주어진 자료를 분석할 수 있습니다.
예시답안
1) X선은 빛 알갱이인 광자로 볼 수 있다. X선은 다른 빛 알갱이에 비해 투과력이 크다. 투과력이 큰 X선을 광전자분광법을 이용해 분석하려는 대상(시료)에 쪼면 일부는 시료 표면에 있는 원자의 전자에 흡수되고 일부는 표면 아래로 뚫고 내려간다.
원자에 공급되는 X선의 양은 시료 표면에서 최대이고 표면 아래로 내려갈수록 감소한다. 전자들은 X선 에너지를 흡수한다. 흡수한 에너지가 전자의 속박에너지보다 큰 경우, 전자는 속박에너지를 제외한 에너지만큼 운동에너지로 갖고 표면을 탈출한다. 표면 아래에 있는 원자의 전자도 마찬가지로 X선으로부터 공급된 에너지에서 전자의 속박에너지를 제외한 만큼의 에너지를 갖고 원자를 탈출한다.
표면 아래에 있는 전자가 시료를 탈출하기 위해서는 시료 표면까지 이동해야 하는데 이 과정에서 전자는 원자와 충돌한다. 충돌은 비탄성 충돌이기 때문에 전자는 운동에너지의 일부를 잃는다. 결국 X선 에너지를 흡수해 표면을 탈출한 두 종류의 전자는 서로 다른 운동에너지를 갖는다. 운동에너지의 크기는 표면에서 방출된 전자가 내부에서 표면까지 이동해 방출된 전자의 운동에너지보다 크다. 시료 표면에서 X선을 많이 흡수하므로 전자 수는 표면에서 방출된 전자 수가 내부에서 표면까지 이동해 방출된 전자 수보다 많다. 즉 400eV의 운동에너지를 갖는 전자보다 500eV의 운동에너지를 갖는 전자 수가 많고 운동에너지 손실도 적다.
전자의 속박에너지는 제시문을 바탕으로 다음과 같이 구한다.
hf=Ek (전자의 운동에너지)+EB (전자의 속박에너지)+Eother (기타 에너지)
EB=hf-Ek-Eother
EB를 구하기 위해서는 Eother를 알아야 한다. Eother 크기는 Ek가 500eV일 때 0이다. Ek가 500eV일 때를 선택하면 전자의 속박에너지를 구할 수 있다.
2) 원자번호가 증가하면 원자핵 속의 양성자 즉 양전하 양이 증가한다. 원자는 항상 전기적으로 중성을 유지하므로 양성자 수가 증가하면 전자 수도 증가한다. 원자 내 전자는 전자껍질에 분포한다. C, N, O의 경우 원자번호가 증가하면 핵의 전하량이 증가해 전자에 더 큰 속박에너지가 작용한다.
그래프에서 A, B, C는 X선 광전자분광법을 실험한 결과 검출된 전자 가운데 원자의 가장 안쪽껍질인 1S에 존재하는 전자다.
전자들에 가해지는 속박에너지의 크기는 A＞B＞ C이다. 그러므로 양성자 수 역시 A＞B＞C이다. 원자번호에 따른 양성자 수를 생각하면 탄소는 6개, 질소는 7개, 산소는 8개이므로 핵전하가 가장 큰 산소는 A이며 핵전하가 가장 작은 탄소는 C이다. 질소는 O와 C 사이 값을 가져 B가 된다.
3) 그래프에서 튀어나온 전자들의 운동에너지 크기는 D＞C＞B＞A이다. 논제 1에서 의하면 속박에너지의 크기는 EB =hf-Ek다. 여기서 동일한 파장의 X선을 쪼이면 전자를 속박하는 에너지 크기가 클수록 전자의 운동에너지는 작다. 이를 적용하면 속박에너지의 크기는 A＞B＞C＞D 이다.
삼플루오르화아세트산에틸의 구조식을 보면 화합물을 구성하는 탄소 원자는 화학적 환경이 모두 다르다. 구조식의 맨 왼쪽에 있는 탄소 원자는 주변의 플루오르 원자에게 원자가전자를 많이 빼앗기는 환경에 있다. 그러나 오른쪽으로 갈수록 탄소원자는 전기음성도가 작은 원자에 둘러싸여 있으므로 원자가전자를 더 적게 빼앗긴다. 따라서 전자의 속박에너지가 오른쪽으로 갈수록 작아진다. 따라서 각각의 자료에 해당하는 탄소는 다음과 같다.
