2022년 11월 2,3,5일 인천광역시 인제고등학교 지능형 과학실에서, 인제 고등학교 과학 동아리들이 참여한 2022 함께 나눔 학교 과학 실함 캠프가 진행되었다. 물리학 분야에서는 로봇 동아리 ‘스톰’ , 물리 동아리 ‘포스’가, 화학 분야에서는 ‘알짜이온’, ‘화생공’ 동이리가, 생명과학 분야에서는 ‘에코피아1’ 동아리가 참여하였다. 실험캠프에 참여한 학생들은 위 3가지 분야 중 두가지 분야를 선택하여 체험을 할 수 있었다.
본 기자는 물리, 화학 분야의 동아리들의 체험활동을 직접 참여해 보았다. 물리 동아리 ‘포스’ 에서는 두 가지의 실험을 준비하였다. ‘자기장 내에서 동전이 쓰러지기 시작하는 각도 측정 실험’ 과 ‘아두이노를 이용한 플랑크 상수 측정 실험’ 이었다. ‘자기장 내에서 동전이 쓰러지기 시작하는 각도 측정 실험’은 강자성체의 성질과 동전의 차이에 따른 동전의 움직임 변화를 관찰함으로써 자기장의 세기와 자석과 동전 사이의 거리에 따른 토크의 변화를 이해하는 것을 목표로 한 실험이었다. 강자성체과 반자성체로 이루어진 서로 다른 동전들을 자석 위에 수직으로 세운 후, 동전을 자석에 대해 10도 정도 기울였다 놓았을 대 동전의 움직임들 관찰하면 강자성 물질의 비율이 높은 동전은 자석에 대해 기울였다 놓았을 때 수직 위치로 돌아오지만, 반자성 물질의 비율이 높은 동전은 바로 쓰러지는 결과가 도출되었다. 이 선행실험을 통하여 자기장 내에서 동전이 쓰러지기 시작하는 각도를 측정 할 때에 강자성체의 동전으로 실험을 해야 한다는 것을 확인하였다.

토크: 물체가 회전운동을 할 때 나타나는 회전의 경향의 척도, 물체를 회전시키기 위해 가한 힘의 작용을 나타낸다. 토크는 물체의 회전축을 중심으로 하는 회전 가속을 유발하는 벡터량이다.

위 내용을 바탕으로 자석 개수를 늘려 자기장의 세기를 증가시키면 동전이 쓰러지는 각도는 증가하고 아크릴판의 개수를 증가시켜 자석과 동전 사이의 거리가 멀어지면 자기장의 세기가 감소하여 동전이 쓰러지는 각도는 감소한다는 결과를 도출 할 수 잇다. 또한 동전은 시간이 지날수록 완전히 자화되기 때문에 모든 조건에서 시간이 지남에 따라 각도는 더욱 증가하게 된다.
아두이노를 이용한 플랑크 상수 측정은 LED를 통하여 플랑크 상수를 측정하는 실험이다. 금속에 특정한 진동수보다 큰 진동수의 빛을 비출 EO 금속에서 전자(광전자)가 방출되는 현상을 광전효과라고 하고 빛의 세기는 방출되는 광전자의 수 또는 전류의 세기에 비례하고 광전자의 에너지는 빛의 진동수에 비례한다. 광양자설에 의하면 광전효과는 광자가 금속 내부의 전자에 자신이 가지고 있던 에너지 hf를 전달해 줌으로써 전자가 금속 외부로 튀어나오는 현상인데 이때 금속 내부의 전자가 외부로 튀어나오기 위해서는 금속 내부에 양전하에 의한 인력을 거스를 수 있는 에너지가 필요한데 이를 일 함수 W라고 한다. 즉 전자운동의 에너지는 다음과 같이 간단한 하나의 식 으로 정리가 가능하다.
1/2*mv*v = hf – W
아인슈타인은 빛을 진동수에 비례하는 에너지를 갖는 불연속적인 입자의 흐름으로 가정함으로써 광전효과의 실험 결과를 모두 설명했다. 이때의 불 연속적인 에너지 입자를 광자 또는 광양자라고 하였고 진동수가 f인 빛을 구성하는 광자 1개의 에너지를 hf라고 하였고 이때의 h가 플랑크 상수이며 그 값은 1.60217646*10의 –19승 * J * S 로 정의된다.
LED는 n형,p형 반도체로 구성된 전류의 방향이 일정 전극 방향과 일치하면 불빛이 나오는 다이오드이며 전자와 양공이 만날 EO 가지고 있던 에너지 차이만큼에 해당하는 파장의 빛을 내는 구조이다. 한편 p-n형 접합부에서 공핍층이 생겨 전위차가 생기는데 전류를 흐르게 하기 위해서는 전위차보다 큰 전압을 가해야 한다. dlEO 필요한 최소의 전압을 문턱 전압이라고 하고 이 문턱 전압을 넘으면 LED에 전류가 흘러 불이 들어오게 된다.
아두이노는 오픈소스를 기반으로 한 마이크로컨트롤러(마이크로프로세서와 입출력 모듈을 하나의 칩으로 만들어 특정 기능을 수행하는 작은 컴퓨터)로 완성된 작은 기반으로, 다양한 스위치나 센서로부터 입력 값을 받아들여 LED나 모터와 같은 전자 장치들로 출력을 제어함으로써 환경과 상호작용이 가능한 물건을 만들 수 있다.
LED가 빛을 내기 위해서는 문턱 전압보다 높은 전압을 가해주어야 하는데 이 전압에 의해 전자가 에너지 전위차를 뛰어넘어 가지고 있던 에너지를 빛으로 방출한다. dlEO 전자 1개의 전하량은 1.60217646 * 10의 –19승 * C 이므로 전자 1개가 1V의 전위차를 가지는 두지점을 이동할 때 얻거나 잃는 에너지는 1eV = 1.6 * 10의 –19승 * J라고 정의한다.

아두이노를 이용해서 구한 LED에 걸리는 전압과 저항에 걸리는 전압을 이용해서 문턱 전압을 구하면 각 LED의 파장을 사용하여 c/λ와 에너지를 구할 수 있다. 이렇게 구한 c/λ를 x축에, 에너지를 y축에 넣고 선형 추세선을 만든 다음 기울기를 구하면 플랑크 상수를 구할 수 있고, 이 값이 이론값과 유사한 것을 확일 할 수 있었다.