전자기파 방출 원리

-전자기파의 방출의 원리는 무엇일까?

“가속도 운동을 하는 전하로부터는 전자기파가 방출된다. 또한 어떤 전자기파를 방출할 수 있으면 흡수할 수도 있다.” 이러한 과학적 개념을 정확히 기억하여 그 원리를 탐색해보자.

혹시 블랙홀의 극 방향으로 엑스선( )이 분출되는 이미지를 본 적이 있는가? 블랙홀의 강한 조석력은 원자를 파괴하여 양전하와 음전하를 분리시킨다. 또한 블랙홀은 회전하는 천체이기에 블랙홀의 주변은 전자기파를 방출할 수 있는 최적의 조건을 갖추고 있다. 이곳에서 전하들은 두 가지 가속도 운동을 한다. 등속 원운동을 하면서 블랙홀을 중심으로 떨어지는 낙하운동이 그것이다. 이러한 가속도 운동 때문에 엑스선이 방출된다.

2차원 등속 원운동이 1차원 진동과 같은 현상임을 인식할 수 있다면 흥미로운 세계로 나아갈 수 있다.

평면에 서서 평면을 바라보면 모든 운동은 직선으로 보일 것이다. 중력에 의한 자유낙하 운동은 1차원 운동이고 포물선 운동은 평면 운동이지만 평면에서 포물선 운동을 바라보면 그냥 자유낙하 운동일 뿐이다. 따라서 전하의 가속도 운동인 등속 원운동과 전하의 진동 운동은 동일한 운동이며 동일한 전자기파가 방출된다.

전하의 진동은 역학적 전하 진동과 전기적 전하 진동으로 구분할 수 있다. 역학적 전하 진동이란 손에 전하를 쥐고 위아래로 흔드는 것을 말한다. 그러면 손 주변의 전기장이 변하게 되는데 전하를 위로 들어 올리면 윗부분의 전기장이 강해지고 아랫부분은 약해진다. 손을 내리면 반대 현상이 일어난다. 따라서 위쪽과 아래쪽의 전기장의 세기는 주기적으로 바뀌게 된다. 어느 라디오 프로가 에서 방송된다는 것은 그 방송을 송신하는 안테나 속의 전자가 앞뒤로 오고가는 진동을 초당 9000만번 반복한다는 의미이다.

아래 사진은 다이폴(dipole) 안테나이다. ‘di-pole’은 두 개의 극을 의미하며 종종 쌍극자로 번역된다. 한 때 집집마다 설치되었던 물건이라 낯설지 않고 정감도 있다. 그 옆의 그림은 안테나에 관련된 전기회로이다. 에서 로 이어지는 직선이 안테나인데 여기서 는 전하를 의미한다.

AC 전원

그림을 보면 안테나는 교류 전원과 연결되어 있다. 즉 안테나의 양끝은 크기가 같고 서로 반대인 전하에 의해 채워지며 교류 주파수에 따라 전하의 극성이 주기적으로 바뀐다. 또한 그 주기성은 발전소 터빈의 등속 원운동에서 비롯된 것이므로 교류 전류의 크기는 사인함수일 것이다. 이러한 사실을 종합해 볼 때 다이폴 안테나는 전하를 진동시키는 장치이기 때문에 전자기파를 방출하거나 흡수할 것이다. 물론 우리가 모두 아는 바와 같이 다이폴 안테나에 흡수되는 전자기파는 대개 방송에 사용되는 극초단파이다.

<백광현·㈜엘림에듀 대표집필위원>

■사진설명=블랙홀의 극 방향으로 엑스선이 분출되고 있다. 블랙홀은 회전하는 천체로，이곳에서 전하들은 등속원운동을 하며 블랙홀을 중심으로 떨어지는 낙하운동을 한다.

이러한 가속도 운동때문에 엑스선이 방출된다.