진공의 ‘깊이’가 색을 바꾼다！？고전압으로 빛나는 진공관의 신비로운 세계
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
칠흑 같은 방 안에서 유리관이 살짝 빛난다. 파랑, 분홍, 주황…… 마치 오로라 같은 빛의 변화. 이는 특수 조명도, CG도 아닙니다. ‘진공의 정도’에 따라 색이 바뀌는 물리 실험입니다. 이번에는 진공관에 고전압을 가했을 때 나타나는 신비한 발광 현상을 그 원리와 함께 소개합니다.
진공관은 무엇을 하는 것일까?
‘진공관’이라는 말을 들어본 적이 있으신가요. 과거 라디오, TV, 컴퓨터에서 빼놓을 수 없었던 전자 부품으로, 현대의 트랜지스터나 IC 칩의 ‘조상’에 해당하는 존재입니다. 진공관의 기본 원리는 매우 단순합니다. 유리관 내부의 공기를 빼내 진공에 가까운 상태로 만들고, 그 안에 전극을 넣어 전류를 흐르게 하는 것입니다. 진공 상태에서는 전자가 공기 분자와 충돌하지 않고 자유롭게 이동할 수 있기 때문에, 정밀한 전류 제어가 가능해집니다.
진공도에 따라 색이 변하는 이유
이번 실험에서는 진공도가 서로 다른 4개의 관에 고전압을 가하면 각각 다른 색으로 빛나는 현상을 관찰할 수 있습니다. 아래 영상을 확인해 보세요.
가장 왼쪽 방전관의 색을 살펴봅시다.
두 번째
세 번째
네 번째는 흰색으로 보입니다.
왜 색이 달라지는 것일까요? 그 핵심은 관 안에 남아 있는 기체의 종류와 양에 있습니다. 전압을 가하면 전극에서 고속 전자가 방출됩니다. 이 전자가 관 내부에 남아 있는 기체 분자와 충돌하면 분자의 에너지 상태가 높아집니다(여기, excitation). 이후 분자가 원래 상태로 돌아올 때 빛을 방출하는데, 기체의 종류에 따라 방출되는 빛의 파장(=색)이 결정됩니다.
진공도가 낮은(공기가 많이 남아 있는) 관에서는 질소나 산소 분자가 발광에 관여하기 때문에 분홍색이나 주황색을 띠게 보입니다. 진공도가 높아질수록 잔류 기체가 줄어들어 푸른빛이나 자외선에 가까운 발광으로 변화합니다. 또한 진공도가 극한까지 높아지면 전자가 유리관 내벽에 부딪혀 형광(초록빛)을 내게 됩니다. 이것이 ‘음극선’이라 불리는 현상으로, 브라운관 TV의 원리와 동일합니다. 즉 색의 변화는 전자가 무엇과 충돌하고 있는지를 알려주는 신호입니다.
여기 전체 장치의 모습입니다.
유도 코일의 무서움을 몸으로 깨달은 날
이 실험을 진행하던 때, 잊을 수 없는 일이 있었습니다. 진공관을 설명하며 시연하던 중 실수로 유도 코일의 전극에 접촉하고 말았습니다. 그 순간 의식이 거의 끊어질 뻔했습니다. 강한 충격과 함께 뒤로 튕겨 나가 쪼그려 앉게 되었습니다. 실험을 통해 여러 번 ‘고전압은 위험합니다’라고 말해왔지만, 그날은 자신의 몸으로 감전의 위험을 직접 체감하게 되었습니다.
유도 코일은 겉보기에는 작은 장치이지만 수만 볼트 이상의 고전압을 발생시킬 수 있습니다. 아름다운 발광 뒤에는 잘못 다루면 매우 위험한 에너지가 숨어 있습니다. 실험을 관찰할 때는 안전한 거리를 유지하는 것이 중요합니다.
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