광학 현미경으로 원자를 볼 수 없는 이유






광학 현미경으로 원자를 볼 수 없는 이유는?

우리가 물체를 보는 과정은 빛을 매개체로 합니다. 따라서 빛이 얼마나 세밀하게 정보를 전달해 주는가에 따라 물체를 인식하는 해상도가 달라집니다. 정밀한 기계를 열어보기 위해서는 도구 또한 정밀해야 하는 것과 마찬가지입니다.
그러면 빛의 세밀한 정도(크기)는 어떻게 정의할 수 있을까요? 빛의 크기를 정하는 명확한 규정은 없지만 보통은 빛의 파장 또는 파장/2을 빛의 크기로 규정합니다. 어떤 두 점이 있을 때 두 점 사이의 거리가 파장의 절반보다 가깝다면 아무리 정밀한 광학기기를 사용하더라도 두 점이 서로 떨어져 있음을 인식하지 못합니다.
즉, 현미경의 해상도는 빛의 파장에 따라 그 한계치가 정해집니다. 파장이 짧은 빛일수록 관찰 대상을 좀 더 자세하게 살펴볼 수 있습니다.

우리 눈으로 느낄 수 있는 가시광선 빛의 파장은 약 400 ~ 700nm입니다. 이에 비해 보통 원자의 지름은 약 0.1 ~ 0.3nm입니다. 단순 계산으로도 크기 차이는 천 배가 넘습니다. 따라서 가시광선으로는 원자의 세세한 구조를 살펴볼 수 없습니다.
이것은 마치 의사에게 망치를 주면서 미세한 상처의 봉합수술을 시키는 것과 같습니다.

물체의 매끄러움

아무리 매끄러운 표면을 가진 물체라도 원자 수준으로 확대해 보면 울퉁불퉁할 것입니다. 우리 눈에 매끄럽게 보인다는 것은 빛의 입장에서 매끄럽다는 뜻입니다.
보통은 물질 표면에서 울퉁불퉁한 부분의 거리가 파장의 1/8보다 작으면 난반사가 매우 적게 일어나고, 이 표면은 매끈하다고 말할 수 있습니다.
따라서 파장이 긴 빛에 대해서는 매끈한 표면이, 짧은 파장의 빛에서는 매끈하지 못할 수도 있습니다.

철망으로 된 접시안테나가 있습니다. 우리 눈에는 철망 사이로 구멍이 송송 뚫린 것으로 보입니다. 야구공을 집어 던지면 철망 사이로 그냥 지나가 버릴 것입니다. 하지만 이 안테나가 송수신하는 전파는 이 철망을 뚫고 지나가지 못합니다. 심지어 전파들은 철망에 완전히 반사되어 중앙에 놓은 송수신 장치로 모이게 됩니다.

장거리 통신용 전파의 파장은 보통 100m 이상입니다. 매우 긴 파장을 가지고 있습니다. 이렇게 긴 파장의 전파에게 철망안테나는 더 이상 철망이 아니라 매끈한 접시로 보이게 됩니다.

빛을 바퀴에 비유해 보면

탱크와 스쿠터의 바퀴는 각각 긴 파장과 짧은 파장의 빛으로 비유할 수 있습니다.
탱크는 바퀴를 감싸고 있는 무한궤도(캐터필러) 때문에 지표면이 울퉁불퉁해도 바닥의 요철을 무시하고 지나갈 수 있습니다.
스쿠터의 경우, 바퀴가 작기 때문에 지표면의 울퉁불퉁한 표면을 그대로 따라갑니다.