1870년, 로드 레일리는 기름과 물을 사용하여 분자의 크기를 계산한 연구

단일 분자의 크기 추정

벤자민 프랭클린과 레일리 경이 기름과 물만으로 분자의 크기를 계산한 방법

• 엑스레이가 발견되고 강력한 현미경이 발명되기 수십 년 전, 레일리 경은 기름, 물, 펜만으로 단일 분자의 크기를 계산함
• 그의 영감은 벤자민 프랭클린에서 비롯됨

프랭클린의 실험

• 1770년경 런던을 방문한 프랭클린은 대서양 횡단 중 배에서 기름이 바다에 버려지면 파도가 잔잔해지는 현상을 관찰함
• 런던의 클라팜 커먼 연못에서 작은 양의 기름을 물에 부어 실험을 진행함
• 기름이 연못 표면에 빠르게 퍼져 물을 매끄럽게 만드는 것을 확인함
• 프랭클린은 실험을 여러 번 반복하고 자세히 기록했으나, 분자적 의미를 이해하지 못함

레일리 경의 재해석

• 케임브리지 대학의 학자이자 물리학자로 유명한 레일리 경은 프랭클린의 실험을 새로운 관점에서 재해석함
• 1890년, 레일리 경은 정확히 측정한 소량의 올리브 오일을 물에 떨어뜨리고, 기름이 퍼진 면적을 측정함
• 기름의 부피를 면적으로 나누어 기름막의 두께를 추정함
• 기름막이 단일 분자층이라고 가정하여, 기름막의 두께를 한 분자의 길이로 계산함

레일리 경의 결과

• 레일리 경의 계산 결과는 약 1.63 나노미터였음
• 올리브 오일의 주요 성분인 트리아실글리세롤 분자의 실제 길이는 약 1.67 나노미터로, 레일리 경의 추정치는 2% 정도의 오차만 있었음
• 그의 실험은 단순한 도구로도 깊은 과학적 통찰을 얻을 수 있음을 보여줌

추가 자료

• 찰스 탄포드의 책 "Ben Franklin Stilled the Waves"는 이 기름 방울 실험의 역사를 깊이 있게 탐구함

GN⁺의 정리

• 이 기사는 단순한 실험 도구로도 중요한 과학적 발견을 할 수 있음을 보여줌
• 벤자민 프랭클린과 레일리 경의 실험은 과학적 호기심과 창의성이 얼마나 중요한지를 강조함
• 이 기사는 과학의 역사와 실험 방법론에 관심 있는 사람들에게 유익할 것임
• 유사한 기능을 가진 다른 프로젝트로는 "Science Experiments You Can Do At Home" 등이 있음

[GN⁺]

Hacker News 의견들

• 1676년에 Rømer는 목성의 위성 Io의 공전 시각을 재서 빛의 속도를 추정함
  지구가 목성에 가까워질 때는 Io가 목성 뒤에서 조금씩 더 일찍 나오고, 멀어질 때는 조금씩 더 늦게 보였으며, 1년 동안 시각 차이가 22분까지 벌어졌음
  두 거리의 차이를 알고 있었기 때문에 빛이 그 거리를 22분에 간다고 계산했고, 결과는 초속 22만 7천 km였음. 실제 값이 약 초속 30만 km인 걸 생각하면 꽤 훌륭함

  • 대부분이 놓칠 만한 아주 구체적인 관측이 우주의 훨씬 깊은 성질을 드러내는 이야기가 늘 좋음
    Eratosthenes가 그림자로 지구 크기를 몇 퍼센트 오차 안에서 알아낸 것도 잘 알려진 예임

  • https://en.wikipedia.org/wiki/R%C3%B8mer%27s_determination_o...

    https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light#First_measureme...

    위성식의 시각을 쓰는 또 다른 흥미로운 점은 Galileo가 목성 위성계를 우주 시계처럼 써서 시각, 나아가 경도를 정하는 방법을 제안했다는 것임
    목성 위성식의 시각을 미리 정밀 계산해 두고 육지나 배에서의 관측과 비교하면 현지 시각과 경도를 구할 수 있었음

    https://en.wikipedia.org/wiki/Galilean_moons#Determination_o...

  • 망원경과 세심한 시간 측정만으로 실제 빛의 속도에 이렇게 가까이 갔다는 게 놀라움

  • 빛의 속도는 너무 빠르기 때문에 알려진 물리 상수 중 가장 정밀한 값임: 299 792 458 m/s
    300,000,000 m/s와의 차이가 7/1000보다 작으니 전혀 신경 쓸 정도가 아님
    빛은 1나노초에 0.3m, 즉 11.802인치만 이동함

    https://www.youtube.com/watch?v=9eyFDBPk4Yw

• Millikan과 Fletcher의 기름방울 실험이 떠오름. 이 실험은 전자의 전하를 측정했음
  요약하면, 미세하게 분무된 기름방울이 공기 중에서 떨어지는 시간을 재서 부피를 구하고, 알려진 전기장을 걸어 방울을 공중에 띄웠음
  계산된 분자당 전하가 더 작은 값의 배수 주변에 모였고, 그 작은 값이 전자 하나의 전하였음

  [0] https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment

  • 먼저 비슷한 방식의 물방울 실험도 시도했음. 기름 대신 물을 쓴다는 점만 빼면 의도는 같았음
    실패한 이유는 방울을 보기 위해 쓴 밝은 램프가 물을 너무 빨리 증발시켰기 때문임. 꽤 공감되는 실패임

  • 이 이야기에는 항상 더 많은 배경이 있음

    https://www.scribd.com/document/661270387/My-Work-with-Milli... Fletcher & Millikan

    https://www.youtube.com/watch?v=B-uWaEvXqbA

  • 결과가 2e나 다른 배수로 나오지 않았다고 어떻게 확신할 수 있을까?

• 이런 글이 좋음. 과학 교육에서는 법칙과 이론이 그냥 외워야 하는 대상으로 제시되는 경우가 너무 많았고, 실제로 그것들이 처음 어떻게 발견되고 풀렸는지가 훨씬 더 흥미롭고 영감을 준다고 봄
  생화학 경로들을 잔뜩 배워야 했던 기억은 나지만, 그 경로들이 애초에 어떻게 밝혀졌는지는 거의 모른 채 학교를 나왔음
  과학 이론이 처음 어떻게 발견됐는지 다룬 다른 글이나 책 추천도 환영함

  • 물리 교육을 고등학교에서 받았는지 대학에서 받았는지 궁금함. 미국 대학에서 전공 때문에 물리 수업 하나만 들었는데, 전기공학용 양자전기역학이었고 교수님이 교재를 직접 썼음
    원자 이해의 기초, Newton 당시의 빛 이해, 이중 슬릿 실험, Maxwell 방정식, Michelson-Morley 에테르 실험, 일반상대성이론의 유도와 실험적 검증, 그리고 일반상대성이론을 Newton 역학과 전자기 법칙들로 분해하는 흐름까지 각 실험을 밑바탕부터 짚어줬던 기억이 남
    사람들이 제1원리에서 이런 걸 알아냈다는 사실이 아직도 경이로움

    아직 읽지는 않았지만 도서관에 예약해 둔 책으로, Reddit에서 누가 추천한 책이 있음
    How to Make an Apple Pie from Scratch: In Search of the Recipe for Our Universe, from the Origins of Atoms to the Big Bang
    https://www.publishersweekly.com/9780385545655

  • 전자 전하의 양자화를 발견한 이야기도 관심사에 맞을 듯함: https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment

    대학에서 수백 볼트의 직류로 직접 해봤는데 무섭긴 했지만, 데이터를 모으고 Excel에서 분석하면서 숫자가 딱 떨어지는 걸 보는 게 꽤 재미있었음

  • John Buckingham의 Chasing the Molecule을 최근에 읽었고 아주 즐거웠음
    현대 화학의 역사를 접근하기 쉬우면서도 충분히 깊게 개괄해 줌
    화학을 크게 전진시킨 덜 알려진 인물들과, 잘 알려졌지만 잘못된 이론에 집착해 오히려 발목을 잡은 인물들의 이야기도 잘 풀어냄
    책이 꽤 짧아서 더 부담 없이 읽힘

  • 자주 가르치는 내용이 마치 계시처럼 주어졌고 확실하며 최종적인 것처럼, 기원이 신비로운 방식으로 전달됨. 과학을 그런 감각으로 대하는 건 좋지 않음
    과학 자체의 성립 가능성이 어떤 믿음의 조항 위에 놓인다고 말할 수는 있어도, 과학의 개별 발견은 실증, 실증의 해석, 해석된 실증을 활용한 논증의 문제임
    여기에 더해 조용히 큰 역할을 하는 작업 가정들도 있는데, 이 부분은 충분히 다뤄지지 않는다고 봄
    이는 과학 활동의 상당 부분이 이론적 동기보다 실용적이고 실천적인 동기와 습관에 의해 움직인다는 생각도 뒷받침함

  • 정말 맞음. 훌륭한 과학 교사들은 과학 발견의 이야기가 가진 힘을 이해함
    Carl Sagan의 Cosmos와 Richard Feynman의 뛰어난 강의 몇몇이 가장 기억에 남는 예로 떠오름
    좋은 교사들은 역사적·인간적 측면을 섞어 넣어, 건조한 주제에도 핵심적인 관점과 자연스러운 기억의 고리를 만들어 준다고 확신함

• “Rayleigh는 기름의 부피를 그것이 덮은 면적으로 나누어 기름막의 두께를 추정했다. 기름이 분자 한 층, 즉 단분자층을 이뤘다고 가정하면 기름막의 두께는 기름 분자 하나의 길이와 같다.

  이렇게 Lord Rayleigh는 그런 분자를 누구도 볼 수 있기 훨씬 전, 단일 분자의 크기를 알아낸 최초의 사람이 되었다.”

• 흥미롭지만, 기름이 분자 하나 두께의 최소 두께까지 퍼진다고 가정한 건 여전히 꽤 추측에 가깝지 않았을까?
  표면장력 때문에 더 두껍게 유지될 수 있다는 식의 의심은 없었을까? 또는 실제로 단분자층임을 시사하는 다른 단서가 있었을까?

  • 좀 더 생각해보니, 분자들이 대체로 서로 위에 쌓이지는 않을 거라는 가정은 합리적일 수도 있겠음
    모두 더 낮은 곳으로 가려 하고, 기름이 퍼지는 데 대한 저항이 기름을 납작하게 만들려는 중력에 비해 상대적으로 훨씬 작을 수도 있음
  • 아마 층이 온전한지 관찰했을 수도 있음. 기름막은 반사 간섭 때문에 무지갯빛 광학 효과를 보이는 것으로 유명함
    이 효과는 층이 평균적으로 분자 1개 두께 이상에서 이하로 넘어갈 때 변할 것임
    실험적으로 이 전환점을 특정한 뒤, 기름의 부피를 이용해 분자층의 두께를 얻을 수 있었을 가능성이 큼
  • 더 의심스러운 가정은 액체가 분자 하나 두께의 층으로 퍼져도 부피가 보존된다는 부분이라고 봄
    각 기름 분자가 사방에서 다른 기름 분자에 둘러싸여 있을 때의 부피가, 위에는 공기 아래에는 물이 있는 상태의 부피와 같아야 할 이유가 없음
    왜 이게 성립하는지 설명할 수 있는 사람이 있을까?
  • 그 양의 기름이 물 표면을 정확히 다 덮는 면적을 어떻게 찾았는지에 대한 정보가 빠져 있는 듯함. 그게 없으면 말이 잘 안 됨
    예를 들어 티스푼 하나의 기름은 1㎡, 2㎡, n㎡ 위로도 펼칠 수 있고, 어느 지점에서는 막 두께가 m에서 1, 다시 1보다 작아질 것임

• “기름이 분자 한 층, 즉 단분자층을 이뤘다고 가정하면 기름막의 두께는 기름 분자 하나의 길이와 같다.”

  그 기름막이 분자 하나 두께라는 걸 어떻게 알았을까?
  엄청난 가정처럼 느껴지지만, 이 블로그 글이 뭔가를 생략했을 수도 있음

  • 블로그 글이 이 지점을 생략한 듯하지만, 링크된 원논문은 꽤 짧음: https://www.damtp.cam.ac.uk/user/gold/pdfs/teaching/old_lite...

    Rayleigh의 실험은 실제로 물 위에서 장뇌 조각이 움직이는 것을 멈추게 하는 데 필요한 기름의 최소 두께를 구하려던 것이었음
    명시적으로 말하지는 않지만, 조각의 움직임을 멈추는 최소 두께는 기름 부피가 표면을 “간신히” 덮는 상태, 즉 모든 곳에서 분자 1개 두께가 되어 조각이 물에 닿지 않는 상태라는 가정인 듯함
    표면장력에 대해 조금 더 영리한 지점을 말하는 것 같지만, 그 부분은 내 이해를 조금 넘어섬

  • 서로 다른 크기의 방울로 실험을 여러 번 해보면 기름층이 항상 대략 같은 두께를 갖는다는 걸 알게 됨
    이는 설명이 필요한 흥미로운 관찰이고, 기름층의 두께가 분자 하나의 길이라는 가설은 아마 가장 자연스럽고 그럴듯한 설명임
    물론 그다음에는 확인을 찾아야 함. 역사적으로는 무엇이 이걸 다음으로 확인했을까?

  • 낮은 마찰의 표면, 예컨대 물 위에 놓인 얇은 유체는 충분한 시간이 지나면 “가능한 한 많이” 퍼질 것이라는 직관은 있음
    교란 요인이 있을 수는 있지만, 가설 안의 가정으로 두기에는 합리적으로 보임
    꼭 “알아야” 했던 건 아니고, 가정은 괜찮으며 이 가정이 그렇게 거대하다고 느껴지지는 않음

  • 맞음. 이 실험은 실제로 특정 한 방향에서 분자 크기의 상한을 주는 것에 가까움
    그래도 매우 유용한 결과임

  • 과학자들은 앞으로 나아가기 위해 자주 가정을 해야 함
    유명한 예로 Darwin은 DNA의 물리적 본질이나 유전자가 어떻게 변해, 예컨대 DNA 돌연변이로 적응이 생기고 생물이 더 적합해지는지에 대한 개념 없이도, 형질이 자연선택을 통해 유전되며 이것이 진화의 구동력이라는 점을 알아냈음

• 학교에 과학 실험 설계 같은 과목이 있었으면 좋았을 것 같음
  고대부터 이어지는 역사적 대표 실험들의 과정을 설명하고, 학생들에게 계속 이런 식으로 묻는 수업임: “이 제약 조건에서 지구 크기를 추정하는 실험을 어떻게 설계하고 수행할 것인가? 플로지스톤과 광매질 에테르를 어떻게 반증할 것인가? 빛의 속도를 어떻게 잴 것인가?”

  • 오늘날 많은 사람이 Michelson-Morley 실험을 제안하고 실제로 수행할 수 있을 것 같지는 않음
    정말 영웅적인 작업이었고 Michelson은 천재였음
    이 기름/물 실험을 1학년 물리나 화학 실험실에서 했는데, 서둘러 진행됐고 모두 최소한만 했으며 교사들도 거의 설명하지 않은 채 다음으로 넘어갔음
  • 실험은 어렵다. 물리학자들 사이에는 이론가는 35세면 한물가지만 실험가는 45세가 되어야 시작한다는 농담이 있음
    물리 실험을 제대로 작동시키려면 세부 사항 기록에 집요해야 하고 강한 직관도 필요함
    정답을 모르는 상태이기 때문에, “가설이 틀렸다”와 “장비가 작동하지 않는다”를 구분할 수 있도록 실험을 설계해야 함
    예를 들어 LIGO를 처음 켰을 때 거의 즉시 훌륭한 사건을 포착했지만, 바로 축하 파티를 열지는 않았음
    처음에는 기계에 문제가 있다고 보고 무시했고, 상당한 사후 분석과 상관관계 확인을 거친 뒤에야 실제 사건이라고 판단했음

• 이 스레드 제목은 틀린 듯함. 원문 글에는 “Rayleigh가 Franklin의 관측에서 직접 영감을 받아 1890년에 수행한 작은 실험은 그만큼 잘 알려져 있지 않다”라고 되어 있음
  따라서 Rayleigh가 분자 크기를 계산한 건 1870년이 아니라 1890년임. 1870년의 Rayleigh는 아직 젊었고 독창적 연구로 알려지지 않았음
  Rayleigh가 분자 크기를 결정하는 새로운 방법을 고안한 것은 맞지만, 분자의 크기와 무게를 처음으로 성공적으로 결정한 사람은 1865년의 Johann Josef Loschmidt였다는 점도 중요함

  https://en.wikipedia.org/wiki/Johann_Josef_Loschmidt

  Loschmidt가 공기 분자의 무게와 크기를 발표한 일은 물리학 역사에서 가장 중요한 이정표 중 하나임
  1865년 전까지 Dalton이 되살린 원자론은 화학 반응과 열역학의 일부 특징을 설명하는 가상의 모형으로 여겨질 수 있었고, 틀렸거나 더 나은 모형으로 대체될 가능성도 남아 있었음
  그 순간부터 원자와 분자는 무게를 재고 셀 수 있게 되었고, 그 실재성은 더 이상 의심받지 않게 됨
  Loschmidt가 공기 분자의 크기와 무게를 정한 것만으로도, 화학 반응에서 얻을 수 있고 이미 알려져 있던 상대 원자량을 이용해 다른 알려진 원자와 분자의 크기와 무게를 정할 수 있었음
  또한 몇 년 뒤인 1874년에 George Johnstone Stoney는 Loschmidt의 결과와, 1873년에 Maxwell이 발표한 기본 전하 존재 이론을 함께 사용해 기본 전하의 값을 계산했음
  이후 Stoney는 이 기본 전하에 “electron”이라는 이름을 붙였고, 이는 electronics부터 hadron까지 현대 과학기술의 수많은 단어의 근원이 되었음

• 대학 물리 수업 중 하나에서 이 실험을 재현해 봄
  일이 꽤 많았고 결과도 원래 실험만큼 좋지는 않았지만, 배울 점이 많고 흥미로웠음
  장비 요구사항은 학부 물리 실험실 수준에서 충분히 합리적이었으니, 가능하다면 직접 해보는 것을 강력히 추천함

• https://www.atomsonly.news/p/franklin-oil

  이 도메인이 정지된 이유: 2014년 1월부터 Namecheap 같은 모든 ICANN 공인 등록기관은 도메인을 등록하는 고객의 연락처 정보, 즉 Registrant Whois를 확인해야 했음
  연락처 정보 수정도 여기에 포함됨