진공방전

일반적으로 진공방전은 전도성 금속이 진공과 접해 있을 때 금속의 전자들이 진공으로 방출되는 현상을 의미한다. 진공방전의 원인으로 열 또는 강한 전기장을 들 수 있다.

목차

그림1. 다양한 형태의 진공관.

그림 2. 진공관의 원리를 보여주는 그림.

전도성 금속에서 열 현상의 주 원인은 금속 내부에 존재하는 입자(특히 가벼운 전자)들의 운동이다. 금속에 열을 가하면 온도가 올라가면서 전자들의 진동이 활발해져 전자기파가 발생한다. 이 때 전자들의 진동 주기에 해당하는 전자기파(빛)가 발생하는데, 전자들이 무작위 운동을 하고 있으므로 다양한 진동수의 전자기파가 동시에 나오게 된다. ¹⁾ 주어진 온도에서 전자들의 에너지 평균값은 온도에 의존하지만, 개개의 전자들은 확률적인 에너지 분포를 가진다. 금속에 열을 가하면 큰 에너지를 가진 전자는 금속에서 벗어나 진공으로 방출될 수 있다.²⁾

그림 1은 열에 의한 진공 방전을 이용한 다양한 형태의 진공관 사진이며, 그림 2는 진공관의 원리를 보여주고 있다. 그림 2에서 양극(anode)와 음극(cathode) 사이에는 외부 전원에 의한 전위차가 존재한다. 중심부 코일(heater)을 가열시키면 음극(cathode)의 온도가 올라가면서 음극에 쌓인 전자들이 진공으로 방출되는데, 방출된 전자들이 양극으로 끌려가면서 진공관 내부 진공을 통해 전류가 흐르게 된다. 현재 진공관은 음향 기기에서 많이 사용된다.

두 금속판에 매우 큰 전위차의 직류 전원을 연결하면, 금속판 사이 진공에 강한 전기장이 형성된다. 이 때, 음극에는 많은 전자들이 모이는 반면, 양극에서는 전자들이 빠져나가서 결과적으로 양의 전하들이 많이 모이게 된다. 두 금속판 사이의 전기장의 세기가 매우 커서 음극 금속 표면에 있는 전자에 큰 전기력이 가해지면, 전자가 음극 금속 표면에서 진공으로 방출될 수 있다. 방출된 전자는 양극인 금속으로 끌려가서 전류가 흐르게 된다.

현대 물리학에서 양자 진공은 아무것도 없는 공간이 아니라 무한한 가능성의 공간이다.³⁾ 에너지만 충분하면 진공에서 전자와 양전자 쌍생성도 가능하다.⁴⁾ 양자 진공에서의 전자-양전자 쌍의 생성도 열에너지에 의한 생성과 전기장에 의한 생성이 모두 가능하다.

진공은 아니지만 공기나 가스 속에서도 방전이 일어날 수 있고, 이러한 방전 현상은 산업에도 많이 응용이 되고 있다. 아래는 가스 방전 현상이 응용된 대표적인 예이다.

1. 온도에 따라 최대 세기에 해당하는 진동수가 변하므로, 진동수에 따른 빛의 세기 분포를 이용하여 온도를 구할 수 있다.
2. 고체의 표면에서 한 개의 전자를 고체 밖으로 빼내는데 필요한 에너지를 일함수(work function)라고 한다.
3. 양자역학에서 진공은 주어진 조건 하에서 에너지가 가장 낮은 상태를 의미한다.
4. 양전자는 전자와 질량은 같지만 양의 전하를 가진 반입자로 지상의 자연스러운 조건에서는 존재하지 않지만, 가속 충돌 실험에서는 생성될 수 있다. 스위스 세른(CERN)의 대형강입자충돌기(LHC) 실험에서 거의 빛의 속도로 운동하는 두 양성자의 충돌에서 수 많은 새로운 입자-반입자 쌍이 생성되는 것이 확인되었고, 양성자보다 훨씬 무거운 힉스 입자가 생성되는 것도 확인이 되었다. 진공의 에너지 밀도가 높아지면서 진공에서 새로운 입자들이 생겨난 것이다.
5. 관측된 중성자별은 보통 @@NAMATH_INLINE@@10^{8}-10^{12}@@NAMATH_INLINE@@G의 강한 자기장을 가지고 있다. 강한 자기장을 가진 중성자별이 빠르게 자전할 경우, 일반상대성 효과에 의해 자기 북극과 남극 부분에 강한 전기장이 형성되어 전자-양전자 쌍생성이 가능하다. 생성된 전자와 양전자의 가속 운동에 의해 중성자별에서 전자기파 펄스 신호가 방출될 수 있다.