지난 글에서는 공기와 물, 유리와 같은 투명한 물질은 가시광선이 물질 내부에 있는 전자와 상호작용이 일어나지 않아 그냥 대부분의 빛이 통과되어서, 투명한 물질이 된다는 것을 알아보았습니다
즉 가시광선과 물질 내부의 전자가 만나서 흡수와 반사 운동이 일어나면 우리가 색을 느끼는 물질되고, 반대로 가시광선이 전자와 상호작용이 되지 않아서 흡수와 반사운동이 일어나지 않고 그냥 물질을 통과해 버리면 투명한 물질이 된다는 내용이었습니다
물질의 깊은 근원을 알고 나니 문득 이런 생각이 듭니다
만약 우리 몸이 가시광선을 그냥 통과시키는 구조로 되어있다면 어땠을까요
물론 말이 안 되는 생각이지만, 살이 투명하다면 심장과 폐, 혈관과 장기가 그대로 보인다면 우리 몸이 병들어가는 것을 쉽게 발견할 수 있지도 않을까 하는 엉뚱한 생각을 해봅니다
실제로 자연에는 몸속 장기가 비칠 정도로 투명한 물고기가 존재하기도 합니다
결국 이 세상에 투명한 물질이 존재하는 이유는 가시광선이 물질 내부를 그냥 통과해 버리기 때문인데, 이와는 반대로
모든 빛을 반사하여 빛이 반짝이게 하는 물질도 있는데 , 바로 금속입니다
빛을 통과시키는 유리와 정반대인 금속이 반짝이는 이유
금속은 유리와 정반대의 현상을 나타내지만, 다른 물질들처럼 중심에 원자핵이 있고 그 주위를 전자가 둘러싸고 있는 기본적인 구조에는 다를 바가 없습니다
그러나 단 하나, 다른 물질들과 구별되는 점은 원자핵을 둘러싸고 있는 가장 외곽에 있는 전자가 원자핵에 강하게 묶여있지 않다는 점입니다
이 최외곽의 전자는 원자가 하나일 때는 원자핵의 영향 아래 있습니다
그러나 여러 원자들이 모여서 하나의 물질이 만들어질 때는, 최외곽의 전자들도 아주 많은 수가 되는데, 이러한 상황이 되면 최외곽의 전자들은 한 원자에만 머물러있는 것이 아니라, 여러 원자 사이를 돌아다니는 자유 전자가 됩니다
이 자유전자가 금속이라는 물질의 특성을 가지게 하는 원인인데, 금속이라는 물질이 전기가 잘 통하고 열을 잘 전달하는 이유도 자유전자 때문이며, 이 글의 주제인 반짝이는 물질이 되는 이유도 자유전자 때문입니다
금속이 반짝이는 이유는 원자핵 사이를 돌아다니던 수많은 자유전자들은 가시광선이 물질의 표면에 도달하면 빛의 전기장에 맞춰서 집단적으로 진동을 을 하기 시작합니다
그러면 자유전자들의 진동으로 다시 전자기파가 만들어지고, 이 전자기파가 물질의 바깥쪽으로 방출되면서 우리는 반짝이는 물질, 금속을 보게 되는 것입니다
금, 은, 동 (금속마다 색이 다른 이유)
그런데 모든 금속이 다 같은 색이 아니라, 왜 어떤 금속은 은색을 띠고, 어떤 금속은 붉은색, 어떤 금속은 은백색으로 금속마다 색이 다른 걸까요
빛이 금속에 들어오면 자유전자들이 빛의 전기장에 반응해서 모두 진동을 하고, 그 결과 다시 빛을 방출하는 것은 같지만, 각 금속의 전자들마다 가시광선의 모든 파장의 빛에 똑같이 반응하지는 않습니다
마치 모든 물질의 전자들이 물질의 종류에 따라서 가시광선의 스펙트럼을 흡수하고 반사하는 파장이 다르듯이, 금속 안의 전자들도 모든 흡수하고 반사하는 파장이 다 다릅니다
예를 들어서 금은 청색 계열의 빛을 흡수하고, 빨강, 노랑 계열을 상대적으로 더 많이 반사하기 때문에 노란빛을 띠는 금색이 되는 것이고, 구리는 파란색과 녹색 계열의 가시광선을 많이 흡수하고, 긴 파장 쪽을 반사해서 우리 눈에 붉은빛을 띤 금속으로 보이게 됩니다
또한 은은 가시광선의 영역의 여러 파장을 비교적 고르게 반사해서 우리 눈에 백색에 가까운 색으로 보이기도 하는데, 그렇다고 모든 파장을 다 반사하는 것은 아니고, 또한 표면의 질감에 따라서 빛이 반사되고 산란되는 방식이 달라서 우리 눈에 보이는 은 특유의 광택성을 가진 은백색이 되는 것입니다
여름이 되면 우리는 금보다는 은으로 된 액세서리에 더 시원한 느낌을 갖고, 또한 여름을 상징하는 금속으로 여기기도 합니다
우리는 단순히 시각적으로 시원한 느낌을 준다는 느낌으로 은을 착용했을지 모르나, 여름이 되면 모든 빛을 반사하는 흰색 옷을 즐겨 입는 것처럼, 어쩌면 우리는 우리가 의식하지 못하는 사이에도 빛을 반사하는 물질이 주는 느낌을 감각적으로 선택했을지도 모릅니다
유리+금속= 거울
인류가 처음에 사용한 거울은 흑요석과 같은 돌이나 금속을 갈아서 만든 것이었습니다
금속은 대부분이 빛을 반사해서 반짝이 기는 하지만, 표면이 거칠면 반사된 빛이 여러 방향으로 흩어져서 선명한 상을 만들기는 어렵습니다 그런데 표면을 갈아서 매끈한 상태로 만들어놓으면 빛이 불규칙하게 흩어지지 않고 일정한 방향으로 반사가 되기 때문에 그 표면을 통해서 비치는 모습을 볼 수가 있습니다
고대인들은 이러한 과학적인 지식은 없었지만 금속을 갈아서 도구나 장신구를 만들 때, 금속 표면이 점점 매끄럽고 반짝이게 되면서 그 표면에 자신의 얼굴이나 주변 풍경이 희미하게 비치는 현상을 보았을것이고 금속을 더 매끈하게 갈수록 더 선명하게 보인다는 것도 경험을 통해서 알았을 것입니다
이렇게 금속을 갈아서 거울로 사용하던 기술은 시간이 지나면서, 유리를 금속 앞에 두면 상이 더 선명해진다는 것도 알게 되었습니다
여기서 유리의 역할은 빛을 반사시키는 역할을 하는 금속을 보호해 주면서 오랫동안 매끄러운 반사면을 유지시켜 주는 역할을 하는 것입니다
이렇게 금속을 갈아서 거울로 사용하다가 16~17세기 이후부터는 금속의 앞면에 유리를 붙이면 훤씬 선명한 거울을 만들 수 있다는 것을 알게 되었고, 이러한 방법으로 중세 유럽에서는 베네치아를 중심으로 유리 거울이 발전하기 시작하였습니다
이렇게 유리와 금속을 결합한 형태의 거울을 사용하다가, 16세기에 들어와서는 베네치아의 유리 만드는 장인들이 유리판의 뒤편에 빛을 반사시키는 주석과 수은을 붙여서 이 전의 거울보다 훨씬 선명한 거울을 만들어서 사용하였습니다
그러다가 19세기에 들어서면서 화학이 발전하고 은의 독특한 성질이 주목을 받기 시작할 때, 1830년대, 독일의 화학자 유스투스 폰 리비히는가 유리의 표면에 얇은 금속 은을 입히는 방법을 발견하게 되었습니다
이 방법을 사용하면서부터 유리의 뒷 면에서 빛을 반사하는 역할을 담당하던 금속을 아주 얇게 만들 수 있게되었고, 그만큼 훨씬 가벼운 거울을 만들 수 있게 되었습니다
결국 우리가 현재 매일 사용하는 거울은 빛을 그냥 통과시켜서 투명하게 보이는 물질과 또한 거의 모든 빛을 반사시키는 반대되는 물질이 만나서 만들어진 것입니다