전자볼트에서 나노줄(으)로 변환

전자볼트(eV)에 대하여

전자볼트는 1 볼트의 전위차를 지나는 전자 하나에 이루어지는 일에 해당하는 에너지 단위입니다. 기호는 eV 입니다. 2019 년 국제단위계 재정의 뒤로 그 값은 정확히 1.602176634 곱하기 10 의 마이너스 19 제곱 줄로 정해졌습니다. 기본 전하 자체가 이제 정의된 상수이기 때문입니다.

이 단위가 있는 까닭은 원자의 세계에 줄이 가망 없이 크기 때문입니다. 눈에 보이는 빛의 광자 하나가 나르는 것은 약 1.6 에서 3.3 전자볼트이며, 이를 줄로 쓰면 앞에 열아홉 개의 영이 늘어섭니다. 전자볼트로 다루면 화학 결합의 에너지도, 원자의 전이도, 소립자의 충돌도 1 에서 몇까지의 숫자로 말할 수 있습니다. 단위에 바라는 바가 바로 이것입니다.

이 눈금은 여러 분야를 통째로 정리합니다. 화학은 몇 전자볼트에 살며, 그것은 결합의 에너지이자 그 결합을 끊는 가시광과 자외선 광자의 에너지입니다. 엑스선은 킬로전자볼트를 차지합니다. 원자핵 물리는 메가전자볼트에서 일하며, 이는 결합 에너지와 방사성 붕괴의 눈금입니다. 입자 물리는 기가전자볼트를 쓰는데, 거기서 양성자의 정지 질량은 0.938 입니다. 대형 강입자 충돌기에서는 테라전자볼트를 쓰며, 그 양성자는 하나에 6.8 을 지닙니다.

질량도 질량과 에너지의 관계를 통해 같은 단위로 적힙니다. 입자의 정지 질량은 전자볼트를 빛 속력의 제곱으로 나눈 꼴로 주어지지만, 물리학자들은 보통 그 나눗수를 빼고 전자는 511 킬로전자볼트라고 말해 버립니다. 같은 약속에 따라 힉스 보손은 125 기가전자볼트입니다.

반도체 공학은 이 단위에 기대고 있습니다. 어떤 물질이 전기와 빛에 대해 어떻게 굴지를 정하는 띠틈은 전자볼트로 나타낸 에너지입니다. 규소는 약 1.1, 질화갈륨은 3.4 이며, 이 하나의 숫자가 그 소자가 태양전지가 될지, 트랜지스터가 될지, 파란빛 발광 다이오드가 될지를 정합니다.

천문학은 에너지가 높은 광자에 대해 이 약속을 물려받았습니다. 그래서 감마선 망원경은 관측 결과를 파장이 아니라 기가전자볼트와 테라전자볼트로 알립니다.

입자 가속기는 이르는 에너지를 따라 이름이 붙으며, 그래서 그 이름이 접두어를 좇습니다. 1932 년에 처음으로 원자핵을 쪼갠 콕크로프트와 월턴의 장치는 몇백 킬로전자볼트로 일했습니다. 1950 년대의 베바트론은 십억 자리에 이르러 반양성자를 찾아냈습니다. 그리고 대형 강입자 충돌기는 양성자를 저마다 6.8 테라전자볼트까지 끌어올립니다. 우주선은 이 모두를 견주게 합니다. 10 의 스무 제곱 전자볼트에 이르는 에너지로 날아들어, 어떤 장치가 만들 수 있는 양의 몇천만 곱절이기 때문입니다. 다만 그런 알갱이는 1 제곱킬로미터마다 한 세기에 겨우 몇 개만 지구에 닿습니다.

1 전자볼트는 약 1.602 곱하기 10 의 마이너스 19 제곱 줄, 약 3.83 곱하기 10 의 마이너스 20 제곱 칼로리와 같습니다.

나노줄(nJ)에 대하여

나노줄은 1 줄의 10 억분의 1, 곧 0.000000001 줄에 해당하는 에너지 단위입니다. 기호는 nJ 입니다. 역학이 광학과 전자공학에 자리를 내주는 지점을 가리키며, 눈에 보이는 것을 움직이기에는 턱없이 작으면서도 낱낱의 입자가 지니는 에너지에 견주면 대단히 큽니다. 나노줄로 적히는 값은 거의 모두 일상의 경험이 아니라 계측기에서 나옵니다.

이 눈금을 가장 또렷이 보여 주는 것은 빛입니다. 초록빛 광자 하나는 약 3.6 × 10⁻¹⁹ 줄을 나르므로, 1 나노줄은 그런 광자가 약 28 억 개 한꺼번에 닿는 것과 같습니다. 열과 견주면 더 큽니다. 실온에서 분자 하나의 평균 열에너지는 약 4 × 10⁻²¹ 줄이므로, 1 나노줄은 그 약 2400 억 배입니다. 이 단위는 양자의 세계보다 한참 위에, 역학의 세계보다 한참 아래에 놓입니다.

이 단위가 제 몫을 하는 곳은 펄스 레이저입니다. 이광자 현미경의 발진기는 초당 8000 만 번의 펄스로 몇 나노줄씩 내보내며, 평균을 내면 수백 밀리와트의 빔 출력이 됩니다. 광섬유 레이저, 빛간섭 단층촬영 장치, 비행시간 거리계도 같은 방식으로 규격을 적습니다. 시료를 상하게 하거나 쓸 만한 반향을 돌려보내는 것은 1 초에 고르게 편 평균 출력이 아니라 펄스 하나에 담긴 에너지이기 때문입니다.

디지털 전자회로는 아래에서 나노줄에 견주어 측정됩니다. 프로세서 안의 전환 한 번은 펨토줄이 들고 기억 장치 접근 한 번은 몇 피코줄이 드니, 1 나노줄이면 수백 번의 읽기나 수백만 번의 논리 연산을 치를 수 있습니다. 에너지 수확 설계는 그림을 뒤집습니다. 실내용 태양전지, 압전 소자, 고주파 안테나가 모으는 양이 초당 몇 나노줄에 그치기도 하며, 초저전력 설계라는 기예는 온통 그 예산 안에 쓸모 있는 일을 끼워 넣는 데 있습니다.

보통 물체가 이 눈금에 닿는 것은 아주 작거나 거의 움직이지 않을 때뿐입니다. 1 밀리그램짜리 모래알이 0.1 밀리미터 떨어지면 약 1 나노줄이 풀려납니다. 머리카락 한 올을 제 굵기만큼 들어 올리는 데는 그보다 적게 듭니다. 부엌이나 작업장의 무엇도 나노줄로 값을 매기지 않으며, 바로 그래서 이 단위는 청구서와 표시 딱지가 아니라 실험실과 레이저 목록과 규격서의 것입니다.

글로 적을 때 이 접두어는 지수 표기와 겨룹니다. 물리학 논문은 대개 10⁻⁹ J 라 찍고 지나가지만, 계측기 제조사는 nJ 라 적습니다. 규격 한 줄에 들어가고 셈 없이 읽히기 때문입니다. 둘은 같은 양을 말하며, 무엇을 고르느냐는 측정보다 읽을 사람에 대해 더 많이 말해 줍니다. 펄스 에너지가 여러 자릿수에 걸쳐 섞인 표에서는 대개 접두어를 붙인 꼴이 한눈에 견주기 쉽습니다.

1 나노줄은 0.000000001 줄, 약 6.24 × 10⁹ 전자볼트, 약 2.78 × 10⁻¹³ 와트시와 같습니다.