5월의 작은 선인장

금속의 증발

일반적으로 한 번 자리를 잡으면 무엇인가가 옮겨놓기 이전에는 항상 제자리에 있을 것 같은 금속이라는 물질이 우리 주변에 많이 있습니다. 그런데 금속도 계속 증발하고 있다는 것을 아시는지요?
몇몇 사례들을 발견할 수 있어서 그에 대해서 이야기해 보겠습니다.


1. 백열전구 필라멘트의 증발

에디슨이 필라멘트를 발명한 다음 (그가 정말 필라멘트를 발명했는지 정확지 않지만...) 필라멘트의 수명은 이론적으로 무한대라고 생각하지 않았을까요? 처음 필라멘트를 만들어 실험에 성공했을 때 48시간이 흐른 뒤에도 꺼질 생각을 하지 않자 일부러 전압을 올려서 필라멘트가 끊어지도록 했다고 합니다.

그런데 우리 일상생활에서 사용하는 여러 가지 전구들을 보면 특별히 전압을 올리거나 한 것도 아닌데 곧잘 끊어집니다. 왜 그런 것일까요? 그것은 고온으로 밝게 빛나는 전구의 필라멘트에서 원자들이 튀어나오게 되고, 그렇게 됨으로서 필라멘트가 점점 가늘어져 부분적으로 저항이 늘어나기 때문입니다. 부분적으로만 저항이 늘어나면 발열량이 증가해서 필라멘트의 온도가 더 높게 올라가고, 필라멘트의 증발이 더 빨라져서 결국에는 필라멘트가 녹아서 끊어지는 것입니다. (필라멘트는 일반적으로 금속 중 녹는 온도가 가장 높은 텅스텐(W)을 주성분으로 만들어 여러 가지 변화에 최대한 녹지 않고 버티게 되어 있습니다.)
백열전구는 고온의 물체로부터 방출되는 빛을 이용하고 있지만 이 기본적인 원리 때문에 수명이 한계를 갖게 됩니다.

필라멘트를 구성하는 금속원자들이 증발하는 현상은 증기압에 따라서 커지거나 작아질 수가 있는데, 이러한 금속원자들의 증기압을 줄이기 위해서는 다른 기체가 존재하는 것이 도움이 됩니다. 그래서 초기 에디슨이 개발한 전구는 진공이었지만, 그 후 개량된 전구에는 질소(N₂)나 0족 원소인 네온(Ne), 아르곤(Ar) 등으로 채워져서 제작되고 있습니다.


2. 오래 쓴 형광등의 검은 점

예전의 일자형 형광등을 오래 쓰면 형광등의 양 끝에 검은 점이 생기는 흑화현상이 발생합니다. 그리고 많이 검게 변한 형광등은 필라멘트가 끊어지게 되어 사용할 수 없게 됩니다. 더군다나 필라멘트가 형광등의 가운데에 오지 않고 한쪽으로 치우치게 되면 더 쉽게 흑화현상이 발생하게 됩니다. 이런 현상은 최근 판매되는 삼파장램프(자연광이라고 불려지는...)도 예외는 아닙니다. 도대체 왜 형광등에는 검은 점이 생기는 것일까요?

형광등은 두 개의 필라멘트로 구성되어 있습니다. 양 필라멘트에 전압이 가해지면 한 쪽의 필라멘트에서 출발한 전자가 전기장을 따라서 반대쪽 필라멘트로 날아가게 되어 있지요. 그리고 우리나라에서는 교류가 60Hz의 주파수를 갖기 때문에 형광등 내부의 전기장의 방향이 120번 바뀌어 형광등은 120번 깜박입니다.^[각주:1] 그런데 형광등의 필라멘트도 백열전구의 필라멘트와 마찬가지로 높은 온도로 가열되고^[각주:2] 가열된 필라멘트에서는 구성된 금속원자들이 튀어나옵니다. 일반적으로 이렇게 튀어나온 금속원자들은 열에 의해서 금속 표면에서 출발한 것이기 때문에 아무런 방향성 없이 사방으로 튀어나가게 됩니다.

형광등의 필라멘트는 길쭉한 모양을 하고 있습니다. 이런 형광등의 모습 때문에 필라멘트에서 출발하는 금속원자의 방향성이 없더라도 전체적으로 튀어나가는 필라멘트의 금속원자의 양은 필라멘트의 길이 방향으로 많을 수밖에 없습니다. 그리고 이렇게 튀어나간 금속원자는 꽤 큰 속력을 가져 형광등 내부에서의 기체분자들이나 중력의 영향에 비교적 자유롭게 똑바로 날아가는 것처럼 보입니다. 결국 튀어나온 금속원자들은 형광등의 유리벽에까지 날아가서 그곳에 달라붙게 됩니다. (물론 형광등 내부에는 전기장이 형성되기는 하지만 전자보다 수천~수만 배 이상 무거운 금속원자들이 받는 영향은 매우 작다고 볼 수 있습니다.)

원래 형광물질이 가득했을 형광등 유리벽에 금속원자들이 많이 달라붙을수록 전자들이 형광물질에 충돌할 수 없게 되고, 또 형광물질이 유리벽에서 떨어져 나가게 되므로 그 부분은 서서히 검게 변하게 됩니다. (원래 금속 가루들이 빛을 잘 흡수하기 때문에 검게 보이기도 합니다.)

필라멘트 양 끝이 검게 변할수록 필라멘트에서 더 많은 금속원자가 떨어져 나온 것을 뜻하므로 필라멘트의 수명은 검은 점이 어느 정도 눈에 보일 때 끝나게 됩니다. (녹아서 끊어집니다.) 그러나 형광등 제조업자들은 검은 점이 나타나지 않게 보강할 생각을 하지 않습니다. 원리상으로는 검은 점이 안 나타나게 만들 수 있지만, 제작단가만 올라가고 필요성은 매우 낮기 때문입니다. 그보다는 검은 점을 보고 사용자들이 형광등을 교체할 시기를 미리 알 수 있는 것이 장점이 될 수 있기 때문입니다.


3. 진공에서의 Lenz의 성능저하

우주같은 진공에서 사용하는 굴절망원경식 렌즈를 생각해 봅니다. 렌즈를 금속 통으로 고정시키고 그 끝에 광학 감지기를 설치합니다. 빛은 렌즈를 통해 입사해서 광학 감지기를 통해 전기신호가 되어 지구로 전송됩니다.
그런데 우주에 올라가 있는 망원경의 금속재질로부터 금속원자들이 조금씩 계속해서 증발하고 있습니다. 이 증기들은 우주로 빠져나갈 수 있으면 빠져나가겠지만, 통 안에서 발생한 증기들은 빠져나가지 못합니다. 그리고 주변의 다른 물질들에게 달라붙죠.
망원경의 렌즈 표면 위로도 금속원자들이 달라붙게 되는데, 그 양은 상당히 미미합니다. 하지만 이 원자들이 달라붙으면 얇은 막 간섭을 하듯이 영향을 줄 수 있습니다. 또 얇은 막 간섭을 하지 않더라도 지나는 빛의 양을 줄이는 역할을 하겠지요. 결국 시간이 오래 지나면 전체적인 망원경의 성능이 저하될 것입니다.

실제 우주공간에서 사용되는 망원경은 굴절망원경이 아니라 반사망원경입니다. 하지만 반사방원경도 광학 감지기 부분에 유리가 사용될 것이므로 금속 증기가 달라붙는 현상(증착)에 대해서 자유롭지 못합니다. 따라서 점차 그 감도가 줄어들 것입니다. 그리고 망원경의 거울에도 영향을 줄 것입니다.
하지만 중요한 것은 이런 현상이 크게 눈에 띄지 않는다는 것입니다. 우주공간에서 15년 정도를 작동한 허블 우주망원경의 경우도 연료공급, 수선 등을 수차례 받았지만 금속원자가 렌즈 등에 달라붙는 현상 때문은 아니었습니다.

이는 금속원자의 증발이 발생하기는 하지만 비교적 온도가 낮은 편이기 때문에 그 양이 매우 적어서 영향이 미미하다고 볼 수 있습니다. 최소한 15년보다는 훨씬 긴 시간을 고온에서 사용할 기기에 대해서나 금속원자의 영향을 무시하기는 힘들지도 모르겠습니다.(실제로 검게 변하는 기기들이 눈에 띕니다.)


4. 금속의 냄새

여러분은 금속의 냄새를 맡아보셨는지요? 저는 쇠의 냄새를 특히 철(Fe)의 냄새를 맡아본 적이 있습니다. 마치 피 냄새같죠! 일반적인 철 도막을 잘라서 자르자마자 코에 대면 쉽게 그 냄새를 맡을 수 있습니다.

옛날에 도둑을 소재로 한 프랑스 영화에서 도둑이 귀중품을 찾으면서 금의 냄새에 대해서 이야기하는 것을 본 적이 있습니다. 혀끝에 착 달라붙고, 쫀득쫀득한 느낌의 냄새가 난다구요.
당시에는 저도 이해하지 못했습니다만, 지금 생각해보면 이는 분명한 사실인 것 같습니다. 다만 일반인들은 냄새에 대해서 민감하지 못하므로 쇠같은 향이 강한 냄새만을 구분할 수 있고, 다른 금속의 냄새들은 맡기가 힘든가봅니다.


5. 수은(Hg)의 증기

위에서 한번 이야기했던 형광등의 안에는 수은 증기가 존재합니다. 눈에 보이는 수은이 직접 들어있지 않아서 인식하시는 분들이 생각보다 적은 것 같습니다만, 수은 증기는 형광등 안에서 전자와 부딪히면서 더 많은 이온들이 발생해 더 밝은 빛을 내는데 도움을 주고 있습니다. 전기장을 따라 가속되던 전자는 일정한 속도 이상을 갖게 된 뒤 수은원자와 부딪히면 수은원자 내부에 있던 전자를 떼어낼 수 있습니다. 물론 원래 충돌했던 전자도 같이 튕겨져 나오게 됩니다. 이렇게 하나의 전자는 수은원자와 부딪힐 때마다 두 개의 전자로 늘어나게 되고, 형광등 길이만큼 이동하는 동안 서너번 혹은 그 이상 수은원자로부터 전자를 떼어낼 수 있습니다. 이렇게 전자와 수은원자가 충돌하면 자외선이 발생하게 됩니다. 충돌하면서 전자의 운동에너지가 줄어들면서 그 차이만큼을 전자기파(빛)로 방출하는 것입니다.
수은원자가 형광등 안에 존재하지 않는다면 전자가 직접 형광등 벽이나 형광물질에 부딪히면 발생하는 빛으로만 빛나게 되므로 수은원자가 들어있는 경우보다 수~수십 배 어두울 것입니다.

수은은 증기가 다른 금속보다 많이 발생하므로 형광등 안에서 다른 주변 물질들과 결합하지 않고 증기 형태로 계속 존재할 수가 있는 것입니다.
일반적으로 증발은 고체 혹은 액체로부터 원자 혹은 분자가 뛰쳐나가 기체가 되는 현상으로 생각하시기 쉽지만, 기체로부터 다시 액체나 고체로 되돌아가는 원자 혹은 분자들도 꽤 많습니다. 다시 말해 증발이란 것은 비금속 물질인 물 같은 것과 마찬가지로 금속의 경우에도 고체 혹은 액체와 기체 사이에 물질이 순환하는 현상입니다.
하지만 수은은 기체만 존재하는 상황에서 스스로를 보존할 수 있는 물질입니다. 그래서 수은 기체를 많이 활용하지요. ^^

수은은 우리 몸에 매우 유독해서 형광등을 분리수거 해야 한다는 것을 꼭 지켜주셨으면 좋겠습니다. 수은 중독증에 걸리면 평생을 고통 속에서 살아야 하잖아요. ㅜㅜ


맺음말

금속의 녹는점이나 끓는점을 고려할 때 실온에서 바로 기체로 증발하는 현상은 관측하기가 힘듭니다. 매우 적은 양이 증발을 하고 있기 때문입니다. 금속이 증발하는 것은 금속 덩어리 속에서 어쩌다가 큰 에너지를 갖는 금속원자가 존재할 수 있기 때문입니다. 실제로 물리학의 보제-아인슈타인 통계에서 금속원자의 종류인 보존은 낮은 확률일지라도 충분히 큰 에너지를 가질 수 있습니다.
큰 에너지를 갖는 원자가 금속의 밖으로 움직여 나가면 금속으로서는 이 원자를 붙잡아 둘 수 있는 방법은 없습니다.

금속 원자들뿐만 아니라 금속 내부에 존재하는 자유전자들의 경우에도 금속의 외부로 튀어나올 수 있습니다. 자유전자의 경우에는 페르미온으로서 금속원자와 다른 움직임을 보이기는 하지만, 페르미-디렉 통계도 비슷하게 큰 에너지를 가질 수 있는 가능성을 제시해 줍니다. 그리고 이러한 현상을 우리는 실생활에서 이미 많이 사용하고 있습니다. TV 브라운관에서 존재하는 전자총의 경우도 고온으로 달궈진 세슘(Cs)으로부터 자유전자를 밖으로 방출하는 원리를 이용하고 있습니다. 트랜지스터가 발명되기 전에 쓰였던 진공관의 경우도 이와 같은 원리를 이용한 장치입니다.

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