거대한 ‘D’의 정체는? 국립과학박물관에서 마주한 가속기 ‘사이클로트론’의 압도적 위력

안녕하세요, 사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험의 연속이죠!

우주와 물질의 신비를 풀기 위해, 눈에 보이지 않을 정도로 작은 입자를 엄청난 속도로 회전시켜 가속하는 장치를 아시나요? 그 이름은 바로 「사이클로트론」입니다. 고등학교 물리 교과서에도 등장하는 유명한 가속기지만, 글이나 그림만으로는 그 압도적인 규모를 상상하기가 쉽지 않죠. 오늘은 국립과학박물관에서 만난 진짜 장치와 함께, 그 원리를 놀라울 정도로 쉽게 설명해 주는 멋진 디지털 교재를 소개해 드릴까 합니다.

거대한 「D」가 입자를 돌린다! 국립과학박물관의 사이클로트론

고등학교 물리에서 「가속기」라고 하면 가장 먼저 언급되는 것이 「사이클로트론」입니다. 이것은 「D」자 모양의 두 전극을 서로 마주 보게 한 뒤, 자기장과 전기장의 힘을 절묘하게 이용해 전자 등의 입자를 나선형으로 가속시키는 장치입니다.

얼마 전, 우에노에 있는 국립과학박물관을 방문했을 때 실제로 사용되었던 사이클로트론 전시를 발견했습니다. 실물을 직접 마주하니 그 엄청난 크기에 정말 압도당하고 말았어요!

이 사진은 핵심 부위인 「D」 부분을 확대한 모습입니다. 거대한 반원 두 개가 맞물려 있는 구조가 한눈에 들어오시죠?

이 거대한 금속 덩어리 안에서 눈에 보이지도 않는 작은 입자들이 맹렬한 속도로 질주했다는 생각을 하니, 과학 역사의 무게가 느껴져 가슴이 두근거렸습니다.

시각적으로 이해하는 「사이클로트론의 원리」

학생들에게 사이클로트론의 원리를 설명할 때, 머릿속으로 「원운동」과 「교류 전원에 의한 가속」을 동시에 그려보게 하는 것은 사실 꽤 어려운 작업입니다. 괜찮은 교재가 없을까 찾아보던 중, 「고등학교 물리 CG 동영상 교재」라는 훌륭한 사이트를 발견했습니다!

이 사이트는 현직 선생님께서 제작하신 것 같은데, 사이클로트론의 복잡한 움직임을 CG 애니메이션으로 완벽하게 재현하고 있습니다. 특히 눈에 띄는 점은 뛰어난 「조작성」입니다. 「원운동만 보기」, 「교류 전원 전환」, 「가속의 순간」 등 설명하고 싶은 단계에 맞춰 화면을 전환할 수 있도록 구성되어 있습니다. 실제 수업에서 활용해 보았더니, 정지된 그림으로는 다 전달할 수 없었던 「타이밍에 맞춰 전기장을 바꿔 가속하는 모습」이 직관적으로 전달되어 놀라울 정도로 매끄럽게 설명을 마칠 수 있었습니다.

실물의 박진감을 보며 「왜 이런 모양일까?」라는 의문을 품고, CG 교재를 통해 「아하, 이렇게 움직이는구나!」라는 확신을 얻게 됩니다. 사이클로트론의 원리를 공부하고 계신 분들도 기회가 된다면 꼭 박물관에서 그 크기를 체감해 보세요. 물리 공부가 훨씬 더 입체적이고 흥미롭게 느껴질 거예요.

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