잠깐! '복사'가 뭘까요?

여기서 말하는 복사(輻射, radiation)는 종이를 똑같이 베끼는 '복사(複寫, copy)'와는 다른 말입니다. 수레바퀴의 살(輻)처럼 사방으로 쏘아(射) 내보낸다는 뜻으로, 물체가 빛이나 전파 같은 에너지를 주변으로 퍼뜨려 내보내는 것을 말합니다.

• 난로 앞에 서면 바람이 불지 않아도 얼굴이 따뜻해집니다. 난로가 보이지 않는 빛(적외선)을 내보내기 때문인데, 이것이 복사입니다.
• 햇빛이 공기도 없는 텅 빈 우주를 건너 지구까지 오는 것도 복사입니다.
• 전자가 움직임을 바꿀 때 전파를 내보내는 것도 복사입니다. 그래서 전파천문학에서는 전파가 만들어지는 방식에 따라 이름을 붙여 부릅니다.

• 사이클로트론 복사 — 전자가 자기장 속에서 빙글빙글 돌며 내보내는 전파입니다. 입자를 빙글빙글 돌리는 장치인 '사이클로트론'에서 이름을 따왔습니다.
• 싱크로트론 복사 — 전자가 빛에 가까운 엄청난 속도로 돌며 내보내는 전파입니다. '싱크로트론'이라는 입자 가속 장치에서 처음 발견되어 이런 이름이 붙었습니다.
• 제동복사 — '제동'은 자전거 브레이크처럼 속도를 줄이거나 바꾼다는 뜻입니다. 전자가 양이온 곁을 지나다 끌려서 속도와 방향이 바뀔 때 내보내는 전파입니다.

잠깐! '자기장 속에서'란?

자석 주위에 철가루를 뿌리면 줄무늬가 생깁니다. 이 줄을 자기력선이라 하고, 자석의 힘이 미치는 이 공간 전체를 자기장이라고 합니다. '자기장 속에서'는 전자가 바로 이런 자석의 힘이 미치는 공간 안에 있다는 뜻입니다. 지구, 태양, 목성, 그리고 우리 은하처럼 우주의 많은 천체가 커다란 자석처럼 자기장을 가지고 있습니다. 자기장의 세기는 가우스(G)라는 단위로 나타내며(1 G = 0.0001 테슬라), 지구 표면의 자기장은 약 0.5 G입니다.

자기장은 움직이는 전자만 밉니다

자기장이 전자에 주는 힘을 로런츠 힘이라고 합니다. 그 크기는 F = qvB sinθ로 나타내는데, q는 전자의 전하량, v는 전자의 속력, B는 자기장의 세기, θ는 전자가 움직이는 방향과 자기력선이 이루는 각도입니다. 이 식에서 알 수 있는 것은 다음과 같습니다.

• 힘은 속력에 비례합니다. 전자가 빠를수록 세게 밀리고, 느리면 약하게 밀립니다.
• 전자가 멈춰 있으면(v = 0) 힘이 0입니다. 아무리 센 자기장 속에 있어도 밀리거나 끌려가지 않고 그 자리에 그대로 있습니다. 자기장의 힘은 전자가 움직일 때만 생깁니다.
• 전자가 자기력선과 나란하게 움직일 때(θ = 0°)도 힘이 0입니다. 자기력선을 가로질러 움직일 때(θ = 90°) 힘이 가장 큽니다.
• 힘의 방향은 언제나 전자가 움직이는 방향과 자기력선 모두에 수직인 옆쪽입니다.

이 점에서 자기장은 전기장과 다릅니다. 플라스틱 자로 머리카락을 문지른 뒤 종잇조각에 가까이 대면, 가만히 있던 종이도 끌려옵니다. 이것은 정전기, 즉 전기장의 힘입니다. 반면 정지한 전자 옆에 자석을 가져다 대도 전자는 움직이지 않습니다.

비유하자면 자기장은 달리는 사람만 옆으로 미는 바람과 같습니다. 서 있으면 아무 일도 없지만 달리기 시작하면 옆으로 밀리고, 빨리 달릴수록 더 세게 밀립니다.

왜 빙글빙글 돌고, 왜 나선이 될까요?

로런츠 힘은 늘 옆으로만 작용하기 때문에 전자를 빠르게 하거나 느리게 하지 못하고, 방향만 계속 꺾습니다. 그 결과 전자는 일정한 빠르기로 원을 그립니다. 끈에 묶은 공을 돌릴 때 끈이 공을 계속 안쪽으로 당겨 원을 그리게 하는 것과 비슷합니다. 한편 자기력선과 나란한 방향의 움직임에는 힘이 작용하지 않으므로, 전자는 원을 그리면서 자기력선을 따라 앞으로도 나아갑니다. 그래서 용수철 같은 나선 모양이 됩니다.

전파로 자기장을 잴 수 있습니다

전자가 1초에 도는 횟수(회전 주파수)는 f = eB / (2πm_e)로, 자기장의 세기 B에만 비례합니다(e: 전자의 전하량, m_e: 전자의 질량). 자기장 1 G마다 1초에 약 280만 번, 즉 2.8 MHz이며, 이 주파수가 바로 전파 영역입니다. 전자가 빠르든 느리든 회전 주파수는 같고, 빠른 전자는 더 큰 원을 그릴 뿐입니다. 다만 전자의 속도가 빛에 가까워지면 상대성 이론의 효과로 회전이 느려지는 대신, 회전 주파수의 수많은 배수에 걸쳐 넓은 주파수 범위의 전파를 내는데, 이것이 싱크로트론 복사입니다. 그래서 천문학자는 전파의 주파수를 재서 멀리 있는 천체의 자기장 세기를 알아냅니다.

참고: '멈춰 있다'는 무엇을 기준으로 할까요?

엄밀하게 말하면 '멈춰 있는 전자'는 자기장에 대해 멈춰 있다는 뜻입니다. 아래 '좀 더 알아보기'에서도 다루듯 속도는 보는 사람에 따라 달라집니다. 자기장 속을 움직이는 전자와 함께 움직이는 사람이 보면 전자는 멈춰 있지만, 그 사람에게는 자기장의 일부가 전기장으로 보여서 전자는 여전히 같은 힘을 받습니다. 전기장과 자기장은 보는 사람에 따라 서로 바뀌어 보이는, 하나의 '전자기장'이 가진 두 얼굴이기 때문입니다(상대성 이론).