진공: 두 판 사이의 차이

 

===17세기===

최초로 실험실에서 진공상태를 유지할 수 있게 해 주는 장비는 토리첼리의 수은 기압계였다. 중세에는 두 판 사이를 빨리 떨어뜨리면, 순간적으로 진공이 만들어 진다고 생각했다. 이에 대한 토론이 많았는데, 두 판 사이가 진공이 된다고 주장하는 사람이 있는 반면, 공기가 충분히 빠르게 빈 공간을 채워서 진공이 안 생긴다고 주장하는 사람도 있었다.

참고로, 1643년 이탈리아의 물리학자 토리첼리는 [[수은]] 기둥을 이용해 다음과 같은 실험을 고안하였다.

이 때 유리관의 위쪽 즉 수은이 없는 빈공간은 거의 진공상태가 되는데(엄밀하게는 기화된 수은과 수증기등이 약간 들어 있을 것이다.) 그 진공을 ‘토리첼리의 진공’이라고 명명한다.

 

데카르트는 [[파스칼]]에게 [[기압계]]를 산 위에 가져가보라고 조언을 해준 적이 있다. 하지만 데카르트는 토리첼리의 수은 기둥 실험에서 수은 위의 빈 공간이 진공이라는 생각을 받아들이지 않았다. 그가 가지고 있던 생각의 주는 공간 사이엔 진공 상태가 되려고 하는 것을 방해하는 다른 미세한 성분들이 존재한다는 것이었다. 실제로 파스칼을 대신하여 파스칼의 처남이 기압계를 들고 산을 올라가보았고, 점점 올라갈 수록 대기가 엷어져서 점점 진공이 되간다고 결론을 내렸다. 이에 반해, 데카르트는 그 미세한 성분들이 대기 너머에 까지 우주 전체에 골고루 존재하기 때문에 이 세상에 어디에서도 진공은 찾을 수 없다고 주장했다. 데카르트는 자신의 주장으로 보편 유체라는 미세한 [[입자]]들이 우주 전체에 퍼져있고 우주 속에서 [[행성]]들이 보편 유체의 소용돌이에 의해서 다른 곳으로 운반 즉 움직인다는 소용돌이이론을 제시한다. 지구를 포함한 여러 행성들이 움직일 수 있는 것은 지구를 중심으로 감싸고 있는 유체들의 소용돌이라고 설명하였다. 데카르트는 이러한 이론을 제시할 정도로 진공의 개념을 혐오했다고 볼 수 있다.

1654년, 오토 본 게리케는 첫 진공펌프를 발명했다. 그리고 그는 마그데부르크 반구에 대한 실험을 했다.

# 두 [[구리]]로 된 지름 40cm의 반구 두 개를 합쳐놓고 그 속의 공기를 자신이 발명한 진공펌프로 빼내었다.

# 결과는 말을 8마리씩이나 써야 반구가 떨어졌다.

이 실험은 게리케가 기압에 의한 힘이 얼마나 큰지를 많은 사람들 앞에서 증명해준 실험이었다.

파스칼은 파스칼 법칙으로 유명한데 그는 파스칼 법칙을 해석하면서 진공에 의해 작용되는 압력은 0이라고 주장하였다.

호이겐스는 [[파동]] 이론으로 많이 알려져 있지만, 그는 진공 연구에 있어서도 많은 진전을 일궈내었다. 그는 최초로 현실적인 보급가능한 진공펌프를 개발하는데 성공한다.

로버트 [[보일]]은 이 디자인을 발전시켜 연구했다. 그 뒤 1850년까지 부분 진공에 대한 연구가 진전이 없다가 그 이후 [[도플러]]가 도플러 펌프를 발명하고, 하인리치 게이슬러가 수은 펌프를 1855년에 발명했다. 이는 10Pa에 해당하는 부분 진공을 가졌다. 그 후에 그전까지는 대기상에서 진행되었던 전기실험들을 진공 상태에서 행할 수 있게 되었고, 이는 이후에 오는 과학 혁명에 큰 기여를 했다.

 

===19세기===

마이컬슨과 몰리는 지구의 공전방향으로 줄지어 세운 거울과 그 것과는 직각을 이루며 세워진 거울들 사이로 광선이 지나가게 하였고,거울 사이를 튕겨져 나온 빛들을 다시 [[간섭현상]]을 일으키게 하여 과연 간섭무늬가 생기는지를 관찰하였다. 사실 그전까지 우주 공간을 [[에테르]]가 채우고 있다고 생각하였기 때문에, 또한 지구에 대한 빛의 상대속도가 있기 때문에 간섭이 일어나는 것이 정상적인 현상이 된다. 하지만 결과적으로 간섭현상이 일어나지 않았고, 우주 공간이 에테르로 채워져 있다는 과거의 가설에 의문을 품게 된다.

 

피츠제럴드는 지구 전체가 운동방향으로 약간씩 수축된다면 마이컬슨-몰리의 실험을 해석할 수 있다고 생각하였다. 이 것을 수식적으로 로렌츠가 로렌츠 변환식을 통해서 정리하였다. 이러한 수축 효과를 로렌츠-피츠제럴드 수축이라고 하고 이들은 우주 공간의 에테르의 존재 가능성을 부정하였다.

 

===20세기===

1930년, 디락은 우주공간에는 무한히 많이 존재하는 전자들이 무한히 많은 음의 에너지의 상태들 중에서 일부 상태들에만 채워져 있는 것이 아닌 각각 상태들마다 한개씩 또한 하나도 남김없이 채우고 있다고 생각했다. 바닷물이 바다를 채우고 있듯이 전자들이 온 우주의 음의 에너지 상태에 채워져 있기에 이것을‘디락의 바다’라고 부른다. 이 이론은 디락 방정식에 대한 추측들 즉,

# 모든 전자들은 같은 에너지 상태에 여러개가 존재할 수 없다는 [[파울리의 배타원리]]를 따른다.

 

==진공의 의미==

[[아리스토텔레스]]는 [[매질]]이 없으면 물체의 [[속도]]가 무한해져서 [[모순]]이 발생할 것이기 때문에 진공이 존재할 수 없다고 주장했다. [[데카르트]] 역시 진공이 존재할 수 없다고 주장했다. [[보일]]과 [[홉스]]는 진공의 존재성에 대한 논쟁을 한참동안 벌인 적이 있다.

이론물리학에서 진공은 [[에너지]]가 0인 상태를 뜻한다. [[에너지]]가 0이 아니지만 진공과 비슷한 성질을 가진 상태를 가짜 진공(false vacuum)이라 부른다.

실험적으로 아무런 [[아원자 입자|입자]]도 존재하지 않는 [[공간]]을 만들 수는 없기 때문에, [[대기압]]보다 낮은 [[압력]]을 가지는 [[계 (물리학)|계]]는 전부 진공이라고 부른다.

 

음극선관을 처음으로 연구하기 시작한 사람은 [[패러데이]] 이다. 19세기말에 높은 [[전압]]을 유리관의 각 끝에 있는 금속판에 걸게 되면 유리관 안에 [[방전]]현상이 일어나고 번쩍거리는 현상을 발견하였다. 이 사실은 당시에 엄청난 과학적 관심을 불러일으켰었다. 양극판 사이에 흐르는 방전효과라고 과학자들은 보고 그 현상을 '음극선'이라고 명명하였다. 이러한 음극선은 유리관안에 공기가 많이 들어있으면 방해를 받아 잘 흐르지 못했다. 그리하여 과학자들이 유리관 안의 공기를 진공펌프를 이용하여 빼내었고 그것이 음극선관의 시초이다. 진공기술이 좋지 않았던 초기의 음극선관은 성능이 좋지 않았다. 독일의 유리 기구 제작자이며 엔지니어였던 [[가이슬러]]가 비로소 진공 기술을 높인 음극선관을 만들어 음극선관을 만들었고 이를 가이슬러관이라고 부르게 되었다. 가이슬러관이 발명되어서 비로소 음극선의 흐름이 제대로 관찰될 수 있었다/. 이후에 영국의 [[크룩스]]가 가이슬러관의 진공도보다 더 높은 진공도를 갖는 음극선관을 개발하였는데 이를 크룩스관이라고 부른다.

과학자들은 이후에 이러한 음극선관을 이용하여 음극선이 과연 전하의 흐름인가에 대한 해답을 제시할 수 있는 여러 가지 실험을 하였다. 먼저 [[헤르츠]]가 1880년대 실험을 해보았고 음극선이 [[전하]]의 흐름이 아니라고 결론지었다. 그 이유는 음극선에 [[전기장]]을 걸어주었을 때 음극선이 편향되지 않았었기 때문이었다. 하지만 이 결론 역시 음극선관의 진공도가 좋지 않았기 때문이었다. 그 이후에 [[톰슨]]은 입자의 빔이 맞다는 사실을 실험으로 보여주게 된다.

'''정역학 진공계'''는 다른 압력에 노출되어 있는 액체의 기둥으로 구성되어 있다. 그 기둥은 각각의 끝 부분의 압력 차에 의해 그 무게가 평형을 이룰 때까지 높이가 유동적으로 움직인다. 가장 간단한 예는 한 쪽이 닫혀 있는 자 모양 튜브인데 그 한 쪽 부분은 우리가 관심 있는 대상과 이어져 있다. 어떤 유체든지 사용될 수 있으나, 높은 밀도와 낮은 증기압을 가진 수은이 선호된다. 간단한 정역학 진공계는 1 torr부터 대기압 이상까지의 압력을 측정할 수 있다. 정역학 진공계의 변형 중 중요한 맥라우드 진공계는 부피를 이미 알고 있는 진공을 격리하고 액체 기둥의 높이 변화를 늘릴 수 있게 압축한다. 맥라우드 진공계는 10−6 torr (0.1 mPa)만큼 높은 진공을 측정할 수 있으며, 이 것은 현재 기술로 직접적으로 측정할 수 있는 가장 낮은 압력이다. 다른 진공계들은 더 낮은 압력도 측정할 수 있지만, 다른 압력에 의해 조절되는 성질들에 의해 간접적으로 측정할 수 있을 뿐이다. 이런 간접적인 측정은 직접적인 측정을 통해 영점조절이 되야 하며 보통 맥라우드 진공계가 거기에 사용된다.<ref name=measure>{{Cite book| first=Thomas G. | last=Beckwith | coauthors=Roy D. Marangoni and John H. Lienhard V | year=1993 | title=Mechanical Measurements | edition=Fifth | publisher=Addison-Wesley | location=Reading, MA | isbn=0-201-56947-7 | pages=591–595 | chapter=Measurement of Low Pressures }}</ref>

 

'''기계진공계(Mechanical gauge)''' 또는 '''탄성압력계'''는 부르동 관, 격판, 또는 보통 금속으로 만들어져 있는 우리가 측정하려는 곳의 압력에 의해 모습이 바뀌는 캡슐 등에 의존한다. 이 아이디어의 변형으로 만들어진 것이 격판이 각각의 축전기를 구성하는 정전 압력계(capacitance manometer)이다. 압력의 변화는 격판에 굴곡을 형성하고 이 것은 축전기를 변화시킨다. 이 진공계들은 10+3 torr 부터 10−4 torr까지와 그 보다 더 높은 값들을 측정할 수 있다.

'''열전도 진공계'''는 압력의 감소에 따라 기체가 열을 더 잘 전달한다는 사실에 기반한다. 이런 종류의 측정기에서는 와이어 필라멘트가 그에 흐르는 전류에 의해 가열된다. 열전대 또는 저항측온기(RTD)는 그 필라멘트의 온도를 측정하는데 사용될 수 있다. 이 온도는 필라멘트가 근처의 기체들에 열을 빼앗기는 속도에 관계되어 있기에, 결국 열전도도에 관련이 있다. 일반적인 변종(variant)은 피라니 진공계로 하나의 플라티늄 필라멘트를 가열된 원소, RTD 이 두 가지로 사용한다. 이 측정기들은 10 torr to 10−3 torr까지의 압력 하에 정확하나, 이 측정기들은 측정되는 기체의 구성성분에 의해 영향을 받는다.

'''이온 게이지'''는 초고진공에 사용된다. 이 측정기들은 열음극과 냉음극 이 두 가지 종류로 나뉘어 진다. 열음극 형태의 경우에는 전기에 의해 가열된 필라멘트가 전자 빔을 생성한다. 그 전자들은 측정기를 통과해 지나가며 근처의 기체 분자들을 이온화한다. 그 결과로 나온 이온들은 음극에 모인다. 그에 의한 전류는 이온의 개수에 비례하며, 결국 측정기 안의 압력에 비례하게 된다. 열음극 측정기는 초고진공에 사용된다.. 10−3 torr 부터 10−10 torr의 범위까지 정확하다. 냉음극 측정기의 원리도 전자들이 고압의 방전에 의해 생성된다는 것 외에 똑같다. 냉음극 측정기는 10−2 torr 부터 10−9 torr의 범위에서 정확하다. 이온화 진공 게이지의 영점 조절은 만들어진 구조, 측정되는 기체의 구성성분, 부식과 표층 퇴적물에 아주 민감하다. 이온화 진공 게이지의 영점조절은 대기압 또는 저진공의 환경에 의해 무효화될 수 있다. 고진공에서의 기체의 구성성분은 보통 예측불가능하며 그래서 질량 분석계와 이온화 진공 게이지를 같이 써야 정확한 측정이 가능하다.<ref>{{cite encyclopedia | editor=Robert M. Besançon | encyclopedia=The Encyclopedia of Physics | edition=3rd | year=1990 | publisher=Van Nostrand Reinhold, New York | isbn = 0-442-00522-9 | pages = 1278–1284 | article=Vacuum Techniques}}</ref>