원자시계 KRISS-1

언어영역 속에서/과학 기술 2008. 10. 28. 20:25

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원자는 핵과 전자로 이루어져 있다. 원자는 에너지를 갖고 있고, 그 상태는 전자들의 에너지 상태에 의해 정해진다. 전자들의 에너지 상태가 가장 낮아 안정되어 있을 때 전자들이 ‘바닥상태’에 있다고 하며, 이때 원자도 바닥상태에 있게 된다. 전자들의 ‘가장’ 낮은 에너지 상태가 하나이므로 원자의 그것도 하나여야 하지만, 핵의 자기모멘트까지 고려할 경우 바닥상태가 여러 개일 수 있다. 다만 그들 사이의 에너지 차이가 아주 미세하여 흔히 무시되었다. 그러나 그 미세한 차이가 시간의 기준 설정에는 긴요하게 쓰인다. 왜냐하면 그 사이에서 ‘시계전이’가 일어나기 때문이다.
세슘원자의 경우 바닥 상태는 2개이다. 이제 전자들의 에너지 상태가 가장 낮은 세슘 원자를 ‘바닥상태1의 원자’, 그보다 높은 세슘원자를 ‘바닥상태2의 원자’라 하자. ‘바닥상태1의 원자’가 ‘바닥상태2의 원자’로 변하면, 즉 가장 낮은 에너지 상태에 있는 전자들이 그보다 에너지 상태가 높은 바닥상태로 변하면 ‘시계전이’가 일어났다고 한다. 이때 일정한 복사선이 흡수되어야 하며, 1967년 국제도량형회의에서는 그 복사선이 91억9,263만1,770번 진동하는 데 걸린 시간을 1초라 정하였다. 이에 따라 이 복사선의 주파수에 해당하는 전자기파를 만들어 1초를 생성하는 장치인 원자 시계가 제작되었다.
그런데 원자 시계라 해도 1초를 완벽하게 만들 수는 없고 그에 ‘가까운’ 1초를 만들어 낼 수 있을 뿐이다. 즉 오차가 있는 것이다. 세계 각국은 그것을 줄이기 위해 노력해 왔다. 얼마 전 한국표준과학연구원에서 개발한 원자 시계 ‘KRISS-1’도 그 노력의 결실 중에 하나로서, 세계적으로 열 손가락에 꼽힐 만큼 정확도가 높다. ‘KRISS-1’은 어떻게 정확성을 높였을까? 정확성을 높이기 위해서는 세슘 원자들이 ‘바닥상태1의 원자’로 있어야 한다. 재래식 원자 시계는 다양한 상태에 있는 원자들 중에서 적당한 원자를 골라내는 방식을 이용하지만 ‘KRISS-1’은 원자들을 아예 적당한 상태로 만드는 방식을 사용한다. 이렇게 하면 더 많은 원자들에서 시계 전이가 일어나 좀더 정확한 1초를 만들어 낼 수 있다.
어떻게 세슘원자들을 ‘바닥상태1의 원자’들로 만들 수 있을까? 전자는 안정된 에너지 상태, 즉 ‘바닥상태’에 있다가 에너지를 얻으면 ‘들뜬상태’가 된다. 들뜬 상태에 있는 전자는 불안정하여 언제나 바닥상태로 돌아가고자 한다. 이 성질을 이용하면 세슘원자를 ‘바닥상태1의 원자’로 바꿀 수 있다. 전자들이 ‘바닥상태1’에 몰려 있는 세슘원자(바닥상태1의 원자)와 그 보다 에너지가 높은 ‘바닥상태2’에 전자가 몰려 있는 세슘원자(바닥상태2의 원자)가 섞여 있기 마련이다. ‘바닥상태2’에 있는 전자들만을 들뜨게 하는 레이저를 쏘아주면 그 전자들은 들뜬 상태였다가 떨어진다. 이때 그 전자들 중에 몇몇은 원래 있던 곳으로 떨어지지 않고 ‘바닥상태1’로 떨어지기도 한다. 그런데 레이저가 계속 작용하기 때문에 ‘바닥상태2’로 되돌아간 전자들은 그 곳에 있지 못 하고 앞의 과정을 반복하면서 언젠가는 ‘바닥 상태1’로 떨어지게 된다. 이렇게 하면 모든 세슘원자는 ‘바닥상태1의 원자’로 된다. 이것을 ‘광펌핑’ 방식이라 한다.
한편 ‘KRISS-1’은 또 다른 과정으로 시계의 정확성을 한층 높였다. 복사선은 자기장, 온도, 빛, 중력 등 10여 가지의 외부 요인에 의해 영향을 받기 때문에 오차가 발생한다. ‘KRISS-1은 이 문제를 해결했던 것이다. 자기장의 경우를 예로 그 방법을 알아 보자. 우선, 강하면서도 계속 변하는 지구 자기장은 차단했다. 그런 다음에 인간이 제어할 수 있는, 미세하고 균일한 자기장을 원자의 경로에 만들어 주면 그 자기장의 세기를 매우 정확하게 측정할 수 있다. 그 후 원자의 복사선이 자기장에 의해 바뀌므로 최종적으로 만들어진 주파수에 자기장에 의해 변화한 값을 빼주면 결국 자기장의 영향이 없는 원자 복사선의 주파수를 얻을 수 있다. 이런 식으로 주파수에 영향을 주는 요인에 의한 주파수 변화값이 제거된 1초에 근접할 수 있게 되었는데, 그 결과 30만년에 1초 정도의 오차만 발생할 정도로 그 정확도를 높였다.