이과생의 과학 일기

<내학 안의 또 다른 핵> 2025/01/31 16:37 + 그림 볼 때 추가 정보 : 논문에서는 지각을 Surface, 맨틀을 CMB, 외핵을 ICB, 외측 내핵을 OIC, 내핵을 IC, 내핵 안의 핵을 IMIC로 서술하고 있음. 그리고 PKIKP파는 P파 중의 하나로, 논문에서는 compressional body waves traversing the IC 라고 정의하고 있다. 해석하면 P파 중에서도 내핵을 가로지르는 압축성 실체파.. 이 실체파로 아래의 사실들을 밝혀내서 특별히 이름 붙여준 듯하다. 뭐 겸사겸사 논문에서 서술할 때 PKIKP파를 특정짓기도 쉬우니까. 지구의 내부는 '지각 - 맨틀 - 외핵 - 내핵' 의 구조를 가진다고 흔히 교과서에서 배운다. 좀 더 세분화하면, 지구는 '암석권(지각+모호로비치치 불연속면(모호면)+상부맨틀) - 연약권(하부맨틀) - 구텐베르크 불연속면 - 외핵 - 레만 불연속면 - 내핵' 으로 구성됨. 지구의 지각은 고체 상태의 현무암질(규산염 광물), 맨틀은 유동성 고체 상태의 감람암질(규산염 광물), 외핵은 액체 상태의 철과 니켈, 내핵은 고체 상태의 철과 니켈로 구성되어 있다는 것을 고1 이상의 사람들은 다들 상식으로 잘 알고 있다. 아마.. 지1을 배웠다면..? 그러나 2023년 2월 22일 게재된 논문 'Up-to-fivefold reverberating waves through the Earth’s center and distinctly anisotropic innermost inner core (2023)' 에 의하면, 2017년 1월 22일 규모 7.9 솔로몬 제도 지진이 일어났을 때, 진원의 위치 - 관측소의 관측 결과가 내핵 안 또 다른 반지름 650km 짜리의 고체 상태 금속핵이 있다는 사실을 보여준다고 한다. 관측 결과만으로는 신빙성이 부족하니, 2D에서 시뮬레이션도 돌려보고, 글로벌 스텍도 구성하고, 계산도 해 본 과정이 논문에 실려 있음. (내용 궁금하면 아래 출처로..) 인간들은 지진이 일어났을 때, 지진파의 특징을 이용하여 지구 내부의 구조를 파악한다. 왜 직접 안 파고 내려가냐? 당연히, 기술력이 부족해서.. 인간이 현대 기술로 가장 깊이 판 땅의 깊이가 약 12km이고, 지구의 반지름의 길이는 6378km(아마도.. 내 기억이 맞다면)정도 라는 것을 보았을 때, 1/531.5배에 불과함.. ㅋㅋㅋㅋㅋ 아무튼 지구 내부의 구조를 지진파로 알아내는 방법은 그림3과 같다. 이건 지2에서 배움. 대충 쉽게 원리만 말하자면, 다른 지진파들 (표면파의 L파 등) 대신 실체파인 P파와 S파를 이용하여, 속력과 방향이 여러 관측 결과에서 공통적으로 달라지는 부분을 알아내고 이를 바탕으로 지구의 내부 구조를 밝혀낸다. (다들 알겠지만, 고체와 액체, 기체 상태를 모두 통과하는 종파인 P파는 모호로비치치 불연속면과 구텐베르크 불연속면, 레만 불연속면을 밝혀냈고, 고체와 기체 상태만 통과하는 횡파인 S파는 모호로비치치 불연속면과 구텐베르크 불연속면, 그리고 외핵을 이루는 물질의 상태가 액체임을 밝혀냄) 아무튼 이제, 지구 내부 구조는? Surface, CMB, ICB, IC(또는 OIC와 IC), IMIC라고 말하면 된다. 근데 한국어로 IMIC가 뭐지?? 내핵 안의 핵? 모르겠네.. [사진 및 논문 출처 : nature communications - Up-to-fivefold reverberating waves through the Earth’s center and distinctly anisotropic innermost inner core (2023) https://www.nature.com/articles/s41467-023-36074-2#citeas]

재밌는데, 힘들다.. 논문 영어 재미 없고, 전문 용어라 뭔 말인지 ㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋ 모르겠다 모르겠어.. 그래서 논문 내용은 많이 안 들어감. 너무 심화적이고 전문적이어서 말해봤자 나도 사람들도 모르고 하니까 그냥 결과랑 사진만 썼고, 나머지는 내 머리 출처라 안 썼으니, 혹여나 시비 걸지 말아주십사, 하는 의도로 밝힘.

뭔가 신박철학연구소? 생각남

>>4 ?????예? 신박 철학? 연구소요?? 그게 뭐죠 이게 아니라 신 박철학(사람 이름??) 연구소? 인가??

>>5 아 찾아보니까 신박천문연구소네ㅋㅋ 천문학 덕후 유튜번데 맨날 쇼츠에 뜨더라

>>6 오 천문학 덕후.. 미쳤네, 재미있겠다. 그 분 영상 보고 싶은데 유튜브 없어서 못 봄.. 우회해서 봐야겠네.

<가돌리늄(gadolinium)> 사전과 인터넷에 소개된 보편적으로 알려진 특징을 살펴보자. 원자번호 64번인 가돌리늄(gadolinium)은 란타넘족에 속하는 희토류 원소인 은백색의 금속 원소로, 형광을 띄며 독성을 가진다. 화학기호로 Gd를 사용하고, 원자량은 157.25, 녹는점은 섭씨 1313도, 끓는점은 섭씨 3273도, 섭씨 25도에서 밀도는 7.886g/cm^3 인데.. 뭐 이런 건 그냥 심심하면 외워두고, 딱히 실생활에 쓸모 없으니, 대략적인 값만 알아두자. 또 다른 특징을 알아보자면.. 공기 중에서는 표면이 쉽게 산화되어 옅은 노란색을 띠고 있고, 또한 알칼리에 잘 녹지 않으며, 실온에서는 산소, 물과 반응하지 않는다는 것이다. 이게 잘못 해석하면 말이 모순처럼 느껴질 수 있는데, 공기 중에서 쉽게 표면이 산화되어서 실온의 산소와 반응하지 않는다는 것을 의미한다. 즉, 이미 산화된 피막(Gd2O3)이 생겼기 때문에 더 이상 내부의 가돌리늄이 산소와 직접 반응하지 않음을 알려주는 문장임. 아, 참고로 이름은 희토류 원소 분리에 기여한 핀란드 과학자 가돌린의 이름에서 비롯되었고, 1880년 스위스 과학자인 드 마리냐크가 발견함. 이 사람 은근 원소 많이 발견했다. 64번 가돌리늄, 65번 터븀.. 이후에도 뭐 정확하게 순수한 건 아니었지만 암튼 이터븀(이터븀 + 류테늄) 발견해서 70번 이터븀과 71번 루테늄의 발견에 기여함. 그러나 첫 문단을 읽으며 다음과 같은 의문점이 들었을 것이다. (아님 말고) '희토류 원소' 라는 것은 무엇일까? 란타넘족 원소들이 희토류 원소라고 하는 걸 다들 들어본 적 있을 텐데, 정작 그게 뭔지 정확히 아는 자는(전공자가 아니라면) 드물다. 희토류 원소는 rare earth elements로, 영어를 직역하면 '희귀한 지구 원소' 가 된다. 그러나 실제로 희토류 원소들은 희귀하지도 않고, 자연에 존재하는 것도 아님 ㅋㅋㅋㅋㅋ 그럼 왜 저딴 이름이 붙은 걸까? 화학자들은 희토류 원소가 각각의 산화물에서 분리해내는 데 복잡하고 긴 화학 과정을 거쳐야 했고, 이로 인해 희토류 원소는 희귀하고 비싸서 저러한 이름이 붙은 것. 오늘날에는 이온교환법과 용매추출법으로 순도가 높은 희토류 원소를 값싸고 빠르게 분리할 수 있게 되어, 의미가 통하지 않는 이름을 갖게 된 것이다, 걍 쉽게 말해서 과학 기술의 발전으로 희토류 원소들이 더 이상 '희토류 원소(rare earth elements)'가 아니게 된 것.. ㅋㅋㅋㅋㅋㅋ 모순이지. 특히 우리가 계속 다루고 있는 가돌리늄은 희토류 중 존재량이 비교적 많으며, 모자나이트와 희토류광에서 주로 발견됨. 희토류 원소라는 이름의 유래는 이쯤하고, 간단히 희토류 원소의 특징에 대해 알아보자. 희토류 원소에 해당하는 원소들은 총 17종류로, 주기율표상 3족인 원자번호 21번 Sc 스칸듐, 39번 Y 이트륨.. 그리고 란타넘족. 이렇게 해당함. 가장 바깥 전자껍질에 전자 3개를 가지고 있기에 원자가가 +3인 상태(3가 양이온 상태. 예를 들어 Gd^3+)로 존재하며, 모든 희토류 원소들이 수용액에서의 성질이 비슷하고 은빛을 띤 금속이다. 자연에서 항상 비금속 원소와 결합한 상태로 존재하며, 이용되는 예시로는 램프, 레이저, 자석, 인광물질 등이 있음. (단, 완전히 분리되어 순수한 희토류) + 추가 + 단, 위의 사진 속 가돌리늄은 중성 상태이기에 가장 바깥의 전자 개수가 2개임. 어라? 아까 위에서 희토류 성질 언급할 때 한, 원자가 전자가 3개라는 거랑 다르지 않나? 싶을 텐데, 가돌리늄이 이온화 될 때, 전자 3개를 잃기에, 원자가 전자가 3개라 하는 것.. 그렇다면 이렇게 추론해볼 수 있다. 희토류 원소들이 이용된 예시로 자석이 있었으니, 가돌리늄도 자성을 띄는 건가? 정답은 '맞다' 이다.. 가돌리늄은 실온에서 자성을 강하게 띠지만(철과 코발트, 니켈 다음으로 자성이 강할 정도 ㄷㄷ 은근 쎈 놈이었음), 조금만 가열하면 자성을 잃음. 오비탈을 살펴보면, 란타넘족 원소들은 4f오비탈을 채워가는 특징이 있어서, 전자배치가 일반적인 전이금속 원소들과는 조금 다르다. 특히 가돌리늄의 4f오비탈에 전자가 7개 들어가는 게 자기적으로 중요한 의미가 있는데, 이게 가돌리늄이 강자성체인 이유를 설명해줌. 가돌리늄이 강자성체 ferromagnetic 인 이유는 무엇인가? 가돌리늄의 4f오비탈에 7개의 전자가 들어가 있는데, 이 전자들은 전부 같은 방향(평행 스핀)으로 정렬되어 있어서 강한 자기적 성질을 가지게 됨. 이런 성질 덕분에 가돌리늄은 MRI 조영제로도 사용되고, 자기적으로 중요한 역할을 한다. 특수강과 반도체 제조 등에 쓰이기도 함. 참고로, MRI 조영제는 자기공명영상 MRI 검사에서 신체 내부 구조를 더 잘 볼 수 있도록 사용되는 약제로 가돌리늄을 포함함으로써 MRI상 신체 내부를 더더욱 하얗고 선명히 보이게 만듦. 근데 왜 조금만 가열하면 자성을 잃을까? 위에서 4f오비탈의 전자가 7개 들어가는 게 자기적으로 중요한 의미를 가진다고 했는데, 열 에너지를 얻으면 전자가 이탈하는 건가? 라고 추론할 수도 있지만, 4f오비탈 에서의 전자들의 스핀 정렬이 깨져서, 전자가 열 에너지를 얻으며 진동하고 불규칙적으로 움직이게 되어서 자성을 잃음. 이렇게 64번 원소인 가돌리늄 gadolinium 은 전기적, 자성적, 발광적 성질을 지닌 희토류의 모든 특징을 갖춘 원소로써 유용하게 쓰이고 있음. 상식으로 알아두자. 언급되지 않은, 다루지 않은 그 밖의 성질들도 두 번째 사진에 있음을 참고. [사진 출처 : 위키백과 / 내용 출처 : 웅진학습백과사전, 구글, 내 뇌]

재밌는데, 위에서 언급한 것처럼 이번에도 개힘든데요.. 근데 재미가 압도해서, 힘듦은 뭣도 아니긴 해 ㅋㅋㅋㅋㅋ 자성이랑 4f오비탈이랑 연관있는 건 몰랐네, 이거 좀 파고들어보고 싶은 주제인데. 나중에 조사해봐야겠음. MRI 한 번도 안 찍어봐서 모르겠는데, 촬영할 기회?가 되어서 MRI 조영제 받아들면 냄새도 맡아보고, 맛도 기억해두고.. 조금 남겨서 채취도 해와야지 ㅋㅋㅋㅋㅋ