아마 여러분 주변의 많은 무생물들은 완벽히 정지한 것처럼 보일 것 입니다.
그러나 그들 중 어느 것의 원자구조를 깊이 들여다 본다면
여러분은 끊임없이 움직이는 세계를 보게 될 것 입니다.
늘어나고
수축하며
튀어오르기도 하고
떨리기도 하면서
여기저기에 원자들이 떠돌아다니고 있지요.
비록 이 움직임이 혼란스러워 보이겠지만 마구잡이식은 아닙니다.
거의 모든 물질을 형성하고 서로 결합되어있는 원자들은
일련의 규칙에 따라서 움직입니다.
예를 들어, 분자들을 보면 원자들이 공유결합으로 연결되어있습니다.
여기서 분자가 움직일 수 있는 기본적인 방법은 세 가지가 있는데
회전운동
병진운동
그리고 진동운동입니다.
회전운동과 병진운동은 분자를 이동시키는데
이때 원자들은 서로 일정한 거리를 유지합니다.
반면, 진동운동의 경우는 분자사이의 거리가 바뀌며
사실상 분자의 모습도 바뀌게 됩니다.
어떤 분자든지, 여러분은 이 분자가 움직이는 모든 경우의 수를 셀 수 있습니다.
이는 분자의 자유도라고 불리는데
역학에서 자유도라는 것은
기본적으로 전체 시스템을 이해하기 위해
고려해야하는 변수의 개수를 뜻합니다.
3차원 공간은 x, y, z 축으로 정의 됩니다.
분자는 병진운동에 따라 이 축의 어느 방향으로든 이동할 수 있지요.
이것이 세 개의 자유도 입니다.
또한 분자는 세 개의 각 축 주변을 회전 할 수 있습니다.
자유도 세 개가 더 추가 되겠네요.
이산화탄소와 같은 직선형 분자의 경우는 좀 다릅니다.
이 경우에는, 회전 중 하나는 분자를 자신의 축을 기준으로 돌게 합니다.
이때는 원자들의 위치가 바뀌지 않기 때문에
이는 자유도 개수에 포함시키지 않습니다.
진동운동의 개수의 경우에는 문제가 까다로워 집니다.
수소 같은 단순한 분자를 예로 들어 봅시다.
두 원자를 잡아주는 결합의 길이는
마치 원자들이 스프링으로 연결된 것처럼 지속적으로 변하고 있습니다.
그 거리의 변화는 아주 미세한데, 10억분의 1m도 안되는 차이입니다.
분자가 가지고 있는 원자와 결합의 수가 많을수록
진동 방식의 수도 더 다양해집니다.
예를 들어, 물 분자는 세 개의 원자를 가지고 있습니다.
산소 하나, 수소 둘과 결합 두 개가 있습니다.
이러한 구조는 분자가 세 가지 방식으로 진동하게 합니다.
대칭 늘임
비대칭 늘임
그리고 구부림진동입니다.
더 복잡한 분자들은 진동방식도 훨씬 더 복잡하며
가로 흔들림 진동
세로 흔들림 진동
꼬임 진동을 보여줍니다.
만약 하나의 분자가 몇 개의 원자들을 가지고 있는지 안다면
그것의 진동 방식의 개수를 셀 수 있습니다.
전체 자유도의 합으로 시작해 볼까요.
전체자유도는 분자에 속한 원자 수의 세 배(3N)입니다.
그 이유는 각 원자가 각 각 세 가지의 방향으로 움직일 수 있기 때문입니다.
이 3N중 3개는 병진운동으로
모든 분자들이 같은 방향으로 움직이는 경우지요.
그리고 세 개 또는 두 개(선형분자의 경우)는
회전운동의 수에 해당됩니다.
그외의 나머지인 3N-6, 선형분자의 경우는 3N-5가
진동운동의 개수입니다.
그렇다면 이런 모든 움직임의 원인은 무엇일까요?
분자들은 주위환경에서 에너지를 흡수해서 움직이는데
주로 열이나 전자기파의 형태입니다.
이 에너지가 분자로 전달되면
진동하고
회전하고
병진하는 속도가 빨라집니다.
빠른 움직임은 분자와 원자의 운동에너지를 증가시킵니다.
우리는 이런 경우 온도나 열에너지가 증가했다고 말하지요.
이것은 전자렌지를 사용해 음식을 따뜻하게 만드는데 쓰이는 현상입니다.
전자렌지는 마이크로파를 내보내고, 그것은 분자에 의해 흡수됩니다.
대부분 물분자이지요.
이 분자들은 점점 더 빠르게 움직이며
서로 충돌하여 음식의 온도와 열에너지를 증가시킵니다.
온실효과는 또 다른 예입니다.
지구표면에 충돌하는 태양복사열의 일부는 대기로 반사됩니다.
이 때 수증기와 이산화탄소같은 온실가스들은 이 복사열을 흡수하고
이들의 속도가 빨라집니다.
이 뜨겁고, 빠르게 움직이는 분자들은 모든 방향으로 적외선을 방사하고
이중 일부는 지구로 다시 돌아가서 온도를 높입니다.
이런 분자들의 모든 움직임이 멈출 수도 있을까요?
당신은 가능한 제일 낮은 온도인 절대 영도에서
그런 일이 일어난다 생각할지 모릅니다.
그러나 누구도 그 정도의 낮은 온도를 만든적이 없을 뿐더러
가능하다해도
분자는 영점에너지라 불리는 양자역학 원리에 따라서
계속 움직일 것입니다.
바꿔 말하면, 모든 것은 우주의 가장 최초의 순간 이래로 움직여 왔고
우리가 사라진 오랜 후에도 계속해서 움직인다는 것이지요.