초콜렛으로 빛의 속도 측정하기

 

  

 

우선 측정에 필요한 또 하나의 도구인 전자레인지의 원리부터 이해해 봅시다.
전자레인지 많이 사용하시죠? 이젠 주방의 필수 아이템이자 만능 요리사.^^

전자레인지는 전자기파를 이용해서 대부분의 음식에 들어있는 물분자를 회전시켜
그때 발생하는 충돌 에너지로 음식을 데우는 원리입니다.

 

물분자들은 평소에는 그림 (a)와 같이 무질서하게 배열되어 있습니다.
그러나 여기에 전기장을 걸어주면 그림 (b)와 같이 양전하를 띤 부분은 음극을 향하고,
음전하를 띤 부분은 양극을 향해 정렬하게 되죠.
이때 전기장의 방향이 바뀌면 앞서 정렬돼 있던 물분자들은 전기장의 방향에 따라 회전하여 재정렬하게 됩니다.

 

이것은 나침판 주위에 자석을 가까이 가져가면 나침판의 바늘이 회전하는 것과 같은 이치입니다.
자석을 나침반 가까운 곳에 대고 뱅글뱅글 자석을 돌리면 나침반도 따라서 돌죠?
나침판에서는 자기력이 바늘을 회전하도록 만들고 음식물에서는 전기력이 물분자들을 회전하도록 만드는 것이죠.

사랑하는 사람을 일편단심으로 쳐다보고 있는 사람의 마음도 마찬가지겠죠? ^^

이처럼 물분자들이 재정렬하는 과정에서 분자간의 충돌이 일어나며 음식물은 가열됩니다.
사람이 꽉찬 지하철에서 가방을 맨 제가 계속해서 돈다고 생각해보세요.
옆에 있는 사람들 무지하게 짜증내겠죠? ^^

저자레인지는 빠른 속도로 전기장의 방향을 바꾸기 위해
1초에 무려 24억5천만번(진동수, 2,450 MHz)이나 전기장의 방향이 바뀌는 전자기파를 이용하여 식품을 가열하므로
빠른 시간에 음식을 가열할 수 있는 것이죠.
 
그리고 전자레인지는 그러한 전자기파(마이크로파)의 파장이 벽면 사이의 거리와 딱 맞게 사이즈(길이)가 디자인되므로
파동의 높은곳과 낮은 곳이 정확히 일치하게 되고, 그러한 파장이 물질과 만나는 지점(Hot Spot)이 존재하게 됩니다.

 

그러므로 전자레인지의 회전판을 제거하고 그 위에 고정된 상태로 초컬릿을 올리면
(그래야 골고루 가열되는 것이 아니라 특정 부위만 계속 가열되겠죠?) 위에서 언급한 Hot Spot 부분이 먼저 녹기 시작하고,
그 길이를 재면 진동수와 파장과의 관계를 통해 빛의 속도를 결정할 수 있습니다.
(진동수와 파장을 곱하면 빛의 속도가 됩니다.)

시간은 20초 정도가 적당하다고 하네요. 너무 길면 초컬릿이 터지는 경우가 발생할 수 있답니다.

 

이렇게 말이죠.

이 사람들이 했던 실험 결과 6cm의 길이가 나왔고, 이는 반파장에 해당되므로 전체 파장을 12cm로 놓고,
거기에 전자레인지의 진동수 2,450,000,000 MHz을 곱하면

빛의 속도는 2 * 6 * 2,450,000,000 = 29,400,000,000 (cm/s) = 294,000,000 (m/s) 라는 결과를 얻을 수 있는데,
이는 실제로 알려진 빛의 속도인 299,792,458 (m/s)에 상당히 근접한 값임을 알 수 있습니다.

** 아래는 위와 관련된 실험 동영상입니다.**

주의할 점은 전자레인지의 바닥에 있는 회전판을 떼어내고 실험을 해야 한다는 점입니다. 그래야 특정 부분에 파장이 집중되어 초콜렛을 녹일 수 있기 때문입니다.