초전도체와 초유체의 발견

독서 실전학습 04 | 초전도체와 초유체의 발견 실전 학습 · 1회 실전 04 열역학 에너지 과학(물리) — 초전도체와 초유체 | 수능특강 p.291~296 지문읽기 구조분석 문제풀기 연계포인트 지문 분야: 과학(물리) | 주제: 오너스가 냉각 실험을 통해 발견한 초 전도체 전기나 열이 잘 통하는 물질. 금속이 대표적이다. 와 초유체 | 유형: 과정 서술형 1 물리학적 물리학적(物理學的): 물리학의 원리나 법칙에 관한, 또는 그에 따르는. 대상, 즉 물리계 물리학에서 연구 대상으로 삼는 물질이나 시스템의 범위. 물리계(物理系): 물리학에서 연구의 대상이 되는 일정한 범위의 물질 체계. 는 주변 환경과 상호 작용 둘 이상의 대상이 서로 영향을 주고받는 것. 상호 작용(相互作用): 둘 이상의 물체나 현상이 서로 영향을 주고받는 것. 을 한다. 그중 하나가 에너지를 주고받는 것인데, 물리계가 주변 환경과 주고받는 에너지의 양은 온도가 높을수록 많아질 수 있다. 온도가 아주 낮을 때는 주변 환경으로부터 받아들이는 에너지의 양이 적으므로 입자 물질을 이루는 매우 작은 알갱이. 원자, 전자 등을 뜻한다. 입자(粒子): 물질을 이루는 매우 작은 알갱이. 원자, 분자, 전자 등을 통칭. 는 물리계가 허용하는 양자 역학적 양자 역학적(量子力學的): 양자 역학의 원리에 따르는. 양자 역학은 원자 이하 크기의 미시 세계에서 물질과 에너지의 행동을 설명하는 물리학 이론. 에너지 준위 양자 역학에서 입자가 가질 수 있는 불연속적인 에너지 값. 에너지 준위(energy level): 양자 역학에서 입자가 가질 수 있는 불연속적 연속적이지 않고 끊어져 있는. 값이 띄엄띄엄 있는 상태. 인 에너지 값. 중 가장 낮은 몇 개 정도만 ⓐ 점유 점유(占有): 물건이나 영역, 지위 따위를 차지함. 하게 된다. 반면 온도가 높아지면 물리계의 에너지도 덩달아 높아지면서 수많은 양자 역학적 에너지 준위에 입자들이 분포 분포(分布): 일정한 범위 안에 흩어져 퍼져 있음. 된다. 주변 환경과의 상호 작용이 커지면 에너지 준위 하나하나의 정확한 값은 더 이상 중요하지 않고, 에너지 준위가 불연속적 불연속적(不連續的): 연속되지 않고 끊어져 있는. 양자 역학에서 에너지가 연속적이지 않고 특정한 값만 가지는 것. 이라는 사실도 큰 의미가 없게 된다. 따라서 거시적 눈으로 볼 수 있을 정도로 큰 규모의. 미시적의 반대. 거시적(巨視的): 사물이나 현상을 전체적으로 큰 규모에서 바라보는 것. 미시적(微視的)의 반대. 물리계에서는 온도가 낮아야 양자 역학적 현상을 발견할 수 있다. 절대 온도 절대 온도(絶對溫度): 분자 운동이 완전히 멈추는 이론적 최저 온도인 절대 영도 이론상 가능한 가장 낮은 온도(0K, 약 -273℃). 분자 운동이 최소가 되는 온도. (0K = -273.15℃)를 기준으로 측정한 온도. 단위는 K(켈빈). 4.2K에서 헬륨 기체를 액화 액화(液化): 기체가 냉각이나 압력 증가에 의해 액체 상태로 바뀌는 현상. 하는 데 성공한 카메를링 오너스 카메를링 오너스(Heike Kamerlingh Onnes, 1853~1926): 네덜란드의 물리학자. 1913년 노벨 물리학상 수상. 헬륨 액화 및 초전도 현상 발견. 는 거시적 물리계에서 나타나는 양자 역학적 현상을 두 가지 발견하게 되는데, 하나가 초전도 현상 초전도 현상(超傳導現象): 특정 온도 이하에서 물질의 전기 저항 전류의 흐름을 방해하는 정도. 저항이 크면 전류가 잘 흐르지 않는다. 이 완전히 사라지는 현상. 이고 다른 하나가 얼지 않는 액체이다. 2 초전도체 초전도체(超傳導體): 전기 저항이 전혀 없는 전도체. 초전도 현상을 나타내는 물질. 는 전기 저항이 전혀 없는 전도체 전도체(傳導體): 전기나 열을 잘 전달하는 물질. 도체라고도 함. 를 말한다. 절대 영도 절대 영도(絶對零度): 이론적으로 도달할 수 있는 최저 온도인 0K(-273.15℃). 모든 분자 운동이 멈추는 온도. 라는 개념이 정립 정립(定立): 어떤 이론이나 개념을 확실하게 세움. 된 후 물리학계에서는 도체의 온도가 절대 영도에 가깝게 되었을 때 전기 저항이 어떻게 될지에 관심이 집중되었다. 마티센 마티센(Augustus Matthiessen, 1831~1870): 영국의 물리학자이자 화학자. 금속의 전기 저항에 관한 '마티센 법칙'을 정립. 은 도체의 저항값 저항값(抵抗값): 전류의 흐름을 방해하는 정도를 수치로 나타낸 것. 단위는 옴(&#8486;). 중 일부는 도체 자체의 내재적 사물의 안에 본래부터 들어 있는. 내재적(內在的): 사물 자체에 본래부터 들어 있는. 특성으로 결정되지만, 실제 금속처럼 불순물 순수한 물질에 섞여 있는 다른 물질. 불순물(不純物): 순수한 물질에 섞여 있는 다른 물질. 이나 결함 구조나 성질에 빠지거나 잘못된 부분. 결함(缺陷): 모자라거나 완전하지 못한 점. 물리에서는 결정 구조의 불완전한 부분. 이 존재하는 물질은 절대 영도에 가깝게 되더라도 전기 저항이 남아 있을 것이라고 보았다. 수소 액화에 최초로 성공했던 듀어 듀어(James Dewar, 1842~1923): 영국의 물리학자이자 화학자. 수소 액화에 성공하고 보온병(듀어병)을 발명. 는 불순물이나 결함의 영향이 없는 도체를 만들 수 있다고 보고, 그런 도체의 온도를 절대 영도에 가깝게 낮추면 전기 저항이 결국 완벽하게 사라질 것이라고 생각하였다. 그리고 켈빈 켈빈(Lord Kelvin, 1824~1907): 영국의 물리학자. 절대 온도 체계(켈빈 온도)를 정립한 것으로 유명. 은 온도를 낮추면 도체 내의 전자 전자(電子): 원자를 구성하는 기본 입자 중 하나. 음(-)의 전하를 가지며 전류의 흐름을 담당. 들도 얼어붙어 고체가 될 것이고, 그러면 전자가 움직일 수 없으므로 전기 저항이 오히려 커질 것이라고 생각하였다. 3 이런 상황에서 카메를링 오너스는 1908년 헬륨을 냉각하여 액체 헬륨을 만드는 데 성공하였고, 1911년에는 액체 헬륨을 사용하여 수은을 절대 온도 4.2K에 가깝게 냉각 냉각(冷却): 물체의 온도를 낮추는 것. 시킬 수 있었다. 이때 수은의 전기 저항이 정확히 0으로 떨어지는 현상을 관측 관측(觀測): 자연 현상을 주의 깊게 살펴보고 측정하는 것. 하였는데, 이것이 바로 최초로 발견된 초전도 현상이다. 수은은 전기 전도도 물질이 전기를 얼마나 잘 통하게 하는지를 나타내는 양. 전기 전도도(電氣傳導度): 물질이 전기를 전달하는 능력의 정도. 가 특별히 좋은 금속이 아니었으며, 상온 특별히 가열하거나 냉각하지 않은 보통의 온도. 대략 20~25℃ 정도. 상온(常溫): 보통의 기온. 대략 15~25℃ 정도. 에서 액체 상태로 존재하기 때문에 고체로 존재하는 다른 금속에 비해 다루기 어려웠다. 그러나 마티센이 가정한 불순물 효과를 줄이려면 금속에 섞여 있는 불순물을 ⓑ제거해야 했다. 금속에서 불순물을 제거하려면 우선 금속을 녹여야 하는데, 녹는점 고체가 녹아 액체가 되기 시작하는 온도. 녹는점(melting point): 고체가 액체로 변하기 시작하는 온도. 융점(融點)이라고도 함. 이 높은 금속은 융해 고체가 열을 받아 녹아서 액체가 되는 현상. 융해(融解): 고체가 열을 받아 액체 상태로 변하는 현상. 과정에서 필연적 반드시 그렇게 될 수밖에 없는. 필연적(必然的): 반드시 그렇게 될 수밖에 없는. 으로 산소 등의 기체가 녹아 들어가게 된다. 그래서 오너스는 다른 물질이 녹지 않는 낮은 온도에서 이미 액체 상태로 존재하는 수은을 선택한 것이다. 이렇게 선택된 수은의 초전도 발현 잠재되어 있던 성질이나 현상이 겉으로 나타나는 것. 발현(發現): 속에 있거나 숨은 것이 밖으로 나타나거나 그렇게 나타나게 함. 온도가 절대 온도 4.2K인 것도 행운이었다. 단일 원소로 된 금속 중 대기압 지구의 대기가 지표면에 가하는 압력. 약 1기압(atm). 대기압(大氣壓): 지구 대기가 지표면에 미치는 압력. 해수면에서 약 1기압(101.325kPa). 하에서 초전도 현상이 나타나는 물질은 29가지가 있는데, 이 중에서 15개의 물질은 초전도 발현 온도가 절대 온도 2K보다 낮아서 오너스조차 도달하기 어려운 온도였다. 수은의 초전도 발현 온도가 조금만 더 낮았다면 초전도 현상의 발견은 훨씬 더 뒤로 미뤄졌을 것이다. 4 오너스는 기체 헬륨을 액화하는 데에서 멈추지 않고 액체 헬륨을 고체화하려고 하였지만, 결국 실패하고 말았다. 그는 대기압하에서 헬륨의 온도를 계속 낮추다 보면 액체-기체 공존선 액체-기체 공존선: 상평형 그래프에서 액체와 기체가 함께 존재할 수 있는 온도와 압력의 경계선. 을 따라가다 고체, 액체, 기체 상태가 ⓒ 공존 공존(共存): 두 가지 이상의 사물이나 현상이 함께 존재함. 하게 되는 삼중점 삼중점(三重點): 고체, 액체, 기체 세 가지 상(相)이 동시에 존재하는 온도와 압력 조건. 이 있을 것이며, 그래서 헬륨이 얼게 될 것이라고 예상하였다. 그러나 다른 모든 물질이 대기압하에서 삼중점을 갖는 것과 달리, 헬륨은 온도가 절대 온도 2.2K 아래로 내려가도 얼지 않았다. 헬륨이 매우 가벼운 비활성 기체 다른 원소와 거의 반응하지 않는 기체. 헬륨, 네온 등이 해당한다. 비활성 기체(非活性氣體): 화학적으로 매우 안정하여 다른 원소와 거의 반응하지 않는 기체. 헬륨, 네온, 아르곤 등. 귀(貴)기체라고도 함. 이기 때문이었다. 양자 역학의 불확정성 원리 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 알 수 없다는 양자 역학의 원리. 불확정성 원리(不確定性原理): 하이젠베르크가 제시한 원리. 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정할 수 없다는 양자 역학의 기본 원리. 로 인해 입자는 절대 영도에서도 가만히 있지 못하고 운동을 하는데, 이를 영점 운동 절대 영도에서도 완전히 멈추지 않고 계속되는 입자의 미세한 운동. 영점 운동(零點運動): 절대 영도(0K)에서도 입자가 완전히 정지하지 않고 하는 최소한의 운동. 불확정성 원리에 의한 현상. 이라고 한다. 헬륨 원자는 매우 가벼워서 양자 역학적 효과가 크게 나타나고, 그 결과 상대적으로 큰 영점 운동을 한다. 그리고 ㉠비활성 기체인 헬륨은 영점 운동을 구속 구속(拘束): 자유롭게 행동하지 못하도록 붙들어 매는 것. 할 힘이 부족하다. 그래서 대기압하의 헬륨은 절대 영도에서도 고체가 아니라 액체 상태로 존재하는 것이다. 이렇게 양자 역학적 특성이 지배하는 액체라는 의미로 액체 헬륨을 양자 액체 양자 액체(量子液體): 양자 역학적 효과가 지배적으로 나타나는 액체. 대표적으로 절대 영도 근처의 액체 헬륨. 또는 양자 유체 양자 유체(量子流體): 양자 역학적 특성이 두드러지는 유체(액체 또는 기체). 양자 액체와 같은 의미로 사용. 라고 한다. 양자 액체의 특성은 단순히 절대 영도에서 고체가 되지 않는다는 사실에 그치지 않았다. 헬륨을 절대 온도 4.2K까지 냉각하여 액화하는 데 성공한 오너스는 헬륨의 온도를 더욱 낮추면서 액체 헬륨의 밀도 일정한 부피에 들어 있는 물질의 양. 밀도가 높으면 같은 부피에 물질이 더 많다. 밀도(密度): 물질의 단위 부피당 질량. 단위는 g/cm&sup3; 또는 kg/m&sup3;. 와 비열 비열(比熱): 물질 1g의 온도를 1℃ 올리는 데 드는 열량. * 등 다양한 특성을 ⓓ 측정 측정(測定): 일정한 양을 기준으로 하여 같은 종류의 다른 양의 크기를 잼. 하였다. 그 과정에서 특이한 현상을 관측하였는데 이러한 물리량 물리학에서 측정할 수 있는 양. 온도, 압력, 속도 등이 해당한다. 물리량(物理量): 물리학에서 측정 가능한 양. 길이, 질량, 시간, 온도, 에너지 등. 이 모두 절대 온도 2.2K 근처에서 최댓값을 갖는다는 것이었다. 5 오너스가 세상을 떠난 후 물리학자들은 액체 헬륨이 이 온도에서 상전이 상전이(相轉移): 물질이 일정한 외적 조건에 따라 한 상(狀)에서 다른 상으로 바뀌는 현상. 예: 고체→액체, 액체→기체. *를 한다는 결론을 내렸다. 그렇지만 이미 액체가 되어 버린 헬륨이 또 다른 액체로 상전이 한다는 게 어떤 의미인지 정확하게 알지 못했고, 그저 막연하게 막연하게(漠然-): 뚜렷하지 않고 어렴풋하게. 상전이 온도 위의 액체를 헬륨 I, 그 아래 온도에 존재하는 액체를 헬륨 II라고 불렀다. 비열의 경우 상전이 온도 근방 어떤 값이나 지점의 가까운 주변. 근방(近傍): 가까운 곳. 근처. 에서 거의 ⓔ 발산 발산(發散): 수학에서, 함숫값이 일정한 값에 모이지 않고 무한대로 커지는 것. 하다시피 급격히 증가하는 양상 사물이나 현상이 나타나는 모양이나 형태. 양상(樣相): 사물이나 현상의 모양이나 상태. 을 보이는데, ㉡x축을 온도, y축을 비열로 놓고 그린 그래프 모양이 그리스 문자 람다(λ) 람다(λ, lambda): 그리스 문자의 11번째 글자. 물리학에서 파장을 나타내거나, 여기서는 헬륨 비열 그래프의 모양을 표현. 를 닮았다고 하여 액체 헬륨의 상전이 온도를 람다점 람다점(lambda point): 액체 헬륨이 헬륨 I에서 헬륨 II로 상전이하는 온도(약 2.17K). 비열 그래프가 λ 모양을 보여 붙은 이름. 이라고도 한다. 1937년 이러한 헬륨 II의 정체가 밝혀졌고, 절대 온도 2.2K 이하의 온도에서 액체 헬륨의 점성 점성(粘性): 액체나 기체 내부에서 유체의 흐름을 방해하는 성질. 끈적끈적한 정도. 이 사라진다는 것을 알게 되었다. 저항이 없이 흐를 수 있는 액체를 발견한 것이다. 저항이 없다는 점이 초전도체와 닮았다고 하여 이것을 초유체 초유체(超流體): 점성이 완전히 사라져 저항 없이 흐를 수 있는 액체. 절대 온도 약 2.2K 이하의 액체 헬륨에서 나타나는 현상. 라고 부르게 되었다. * 비열: 물질 1g의 온도를 1℃ 올리는 데 드는 열량. * 상전이: 물질이 일정한 외적 조건에 따라 한 상(狀)에서 다른 상으로 바뀌는 현상. 배경지식 &#9660; 해제 이 글은 오너스가 발견한 거시적 물리계에서의 양자 역학적 현상 두 가지에 대하여 설명하고 있다. 오너스는 액체 헬륨을 사용하여 수은의 온도를 절대 온도 4.2K에 가깝게 냉각시킬 수 있었는데, 이때 수은의 전기 저항이 0으로 떨어져 초전도체가 되었다. 그리고 오너스는 헬륨을 고체화하기 위해 액체 헬륨의 온도를 더 낮추어 보았는데, 절대 온도 2.2K 근처에서 액체 헬륨의 밀도와 비열 등이 최댓값을 갖는다는 것을 알게 되었다. 이후 물리학자들은 이 온도에서 액체 헬륨이 상전이를 하여 점성이 사라진다는 것을 알게 되었고, 이것을 초유체라고 부르게 되었다. 초전도 현상의 발전사 오너스의 초전도 발견 이후 1957년 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼가 BCS 이론을 통해 초전도 현상의 미시적 원리를 밝혀냈다. 전자가 쌍(쿠퍼 쌍)을 이루어 결정 격자와 상호작용하면서 저항 없이 흐르게 되는 것이다. 1986년에는 구리 산화물 계열의 고온 초전도체가 발견되어, 절대 온도 약 130K에서도 초전도 현상이 나타남이 확인되었다. 오늘날 초전도체는 MRI, 입자 가속기, 자기 부상 열차 등에 활용되고 있다. &#9998; 구조 분석 지문 유형 유형 과정 서술형 — 과학적 발견의 과정을 시간 순서에 따라 서술하면서 관련 개념을 설명하는 구조 주제 오너스가 냉각 실험을 통해 발견한 초전도체와 초유체 문단별 중심 내용 문단 핵심 내용 문단 역할 ① 거시적 물리계에서 양자 역학적 현상을 발견할 수 있는 조건 도입 ② 냉각된 도체의 전기 저항 변화에 대한 세 학자의 견해 배경(견해 대비) ③ 오너스가 수은의 냉각을 통해 발견한 초전도 현상 핵심 발견 1 ④ 오너스가 헬륨의 냉각을 통해 발견한 양자 액체(얼지 않는 액체) 핵심 발견 2 ⑤ 상전이를 한 헬륨에서 확인된 초유체로서의 특성 결론(의의) 논리 흐름도 ① 도입 &rarr; 온도가 낮아야 양자 역학적 현상 발견 가능 &darr; ② 견해 대비 &rarr; 마티센 vs 듀어 vs 켈빈: 절대 영도 근처 전기 저항 변화 예측 &darr; ③ 발견 1 &rarr; 수은 냉각 &rarr; 전기 저항 0 &rarr; 초전도 현상 발견 &darr; ④ 발견 2 &rarr; 헬륨 냉각 &rarr; 절대 영도에서도 액체 &rarr; 양자 액체 &darr; ⑤ 결론 &rarr; 2.2K에서 상전이 &rarr; 점성 소멸 &rarr; 초유체 세 학자의 견해 비교 학자 절대 영도 근처에서 전기 저항에 대한 견해 핵심 논리 마티센 불순물이나 결함이 있는 물질은 절대 영도에 가깝게 되더라도 전기 저항이 남아 있을 것 불순물 효과 듀어 불순물/결함 없는 도체를 만들 수 있고, 그 경우 전기 저항이 완벽하게 사라질 것 순수 도체 가능 켈빈 온도를 낮추면 전자가 얼어붙어 움직일 수 없으므로 전기 저항이 오히려 커질 것 전자 동결 핵심 개념 정리 에너지 준위 양자 역학에서 입자가 가질 수 있는 불연속적(띠엄띠엄)인 에너지 값. 온도가 낮으면 입자는 낮은 에너지 준위만 점유하고, 온도가 높아지면 수많은 에너지 준위에 분포한다. 초전도 현상 특정 온도(초전도 발현 온도) 이하에서 물질의 전기 저항이 완전히 0이 되는 현상. 수은의 경우 절대 온도 4.2K에서 발현. 대기압하에서 초전도 현상이 나타나는 단일 원소 금속은 29가지. 불확정성 원리와 영점 운동 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따르면, 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 측정할 수 없다. 이 원리로 인해 절대 영도에서도 입자는 완전히 멈추지 못하고 최소한의 운동(영점 운동)을 한다. 삼중점 고체, 액체, 기체 세 가지 상(phase)이 동시에 존재할 수 있는 온도와 압력 조건. 대부분의 물질은 대기압하에서 삼중점을 갖지만, 헬륨은 대기압하에서 삼중점이 없어 고체가 되지 않는다. 초유체 점성(액체 내부의 흐름 저항)이 완전히 사라진 액체. 액체 헬륨은 절대 온도 약 2.2K(람다점) 이하에서 헬륨 II로 상전이하여 초유체가 된다. 초전도체가 전기 저항이 0인 것처럼, 초유체는 유체 저항이 0이다. OX 퀴즈 맞힌 문제 0 / 20 기본 확인 (1~10) 1. 거시적 물리계에서는 온도가 낮아야 주변 환경으로부터 받아들이는 에너지의 양이 적어 양자 역학적 현상을 발견할 수 있다. O X 2. 거시적 물리계의 온도가 높아지면 입자는 물리계가 허용하는 양자 역학적 에너지 준위 중 가장 낮은 몇 개 정도만 점유하게 된다. O X 3. 켈빈은 도체의 온도를 낮출 경우 불순물이나 결함의 영향이 사라져 전기 저항이 결국 완벽하게 사라질 것이라고 보았다. O X 4. 카메를링 오너스는 1911년 액체 헬륨을 사용하여 수은을 절대 온도 4.2K에 가깝게 냉각시켜 최초로 전기 저항이 0으로 떨어지는 초전도 현상을 관측하였다. O X 5. 오너스가 수은을 선택한 이유는 다른 물질이 녹지 않는 낮은 온도에서 이미 액체 상태로 존재하여 융해 과정의 불순물 유입을 막기 쉬웠기 때문이다. O X 6. 단일 원소로 된 금속 중 대기압하에서 초전도 현상이 나타나는 모든 물질은 초전도 발현 온도가 절대 온도 2K보다 높다. O X 7. 헬륨 원자는 매우 가벼워 양자 역학적 효과가 크게 나타나며 절대 영도에서도 가만히 있지 못하고 상대적으로 큰 영점 운동을 한다. O X 8. 오너스는 대기압하에서 헬륨의 온도를 절대 온도 2.2K 아래로 낮춤으로써 액체-기체 공존선을 따라 헬륨을 고체화하는 데 성공했다. O X 9. 액체 헬륨의 비열이 급격히 증가하는 양상을 나타내는 그래프 모양이 그리스 문자 람다(λ)를 닮았다고 하여 상전이 온도를 람다점이라 부른다. O X 10. 물리학자들은 헬륨이 람다점에서 상전이를 한다고 결론 내리고, 상전이 온도 위의 액체를 헬륨 II, 그 아래 온도에 존재하는 액체를 헬륨 I이라 명명하였다. O X 함정 확인 (11~20) 11. 듀어와 마티센은 모두 실제 금속에 불순물이나 결함이 존재한다는 것을 인지하고 절대 영도 부근에서의 전기 저항 변화를 추론하였다. O X 12. 수은의 초전도 발현 온도가 1.5K였다면, 2K 미만의 온도를 다루기 어려웠던 당시 오너스의 기술력으로는 초전도 현상의 발견이 훨씬 뒤로 미뤄졌을 것이다. O X 13. 물리계가 주변 환경과 상호 작용이 커져 에너지를 많이 주고받을수록, 에너지 준위가 불연속적이라는 사실은 거시적 물리계에서 더욱 큰 의미를 갖게 된다. O X 14. 점성이 사라져 저항 없이 흐를 수 있는 액체 헬륨을 초유체라고 부르게 된 것은, 전기 저항이 없는 초전도체의 물리적 특징과 닮았기 때문이다. O X 15. 헬륨이 절대 온도 2.2K 아래로 내려가도 얼지 않고 액체로 존재하는 이유는, 영점 운동을 구속할 힘이 매우 강하게 작용하여 입자를 묶어두기 때문이다. O X 16. 헬륨 I 상태의 양자 액체가 절대 온도 2.2K 이하의 헬륨 II 상태로 상전이하는 것은, 곧 액체 헬륨의 점성이 완전히 사라지는 물리적 특성 변화를 겪는다는 것을 의미한다. O X 17. 양자 역학의 불확정성 원리에 의해 대기압하의 헬륨 원자는 결국 절대 영도에서 위치와 운동량이 완전히 고정된 삼중점 상태에 도달하게 된다. O X 18. 수은은 전기 전도도가 특별히 좋은 금속이므로, 마티센이 가정한 불순물 효과를 완전히 배제하고 전기 저항이 0으로 떨어지는 현상을 관측하기 위한 최적의 재료였다. O X 19. 헬륨이 비활성 기체이기 때문에 원자가 매우 가벼워지며, 그 결과 양자 역학적 효과가 극대화되어 대기압하의 절대 영도에서도 결코 정지하지 않게 된다. O X 20. 절대 영도 부근에서의 저항 변화에 대해 마티센은 불순물로 인해 저항이 남을 것이라 예측한 반면, 듀어는 불순물이 완벽히 없는 도체라면 저항이 사라질 수 있다고 보며 전제에 따른 차이를 보였다. O X &#9733; 연계 포인트 수능 출제 핵심 포인트 Point 1. 과학적 발견의 과정과 인과 관계 이 지문은 '왜 수은을 선택했는가', '왜 헬륨이 얼지 않는가' 등 인과 관계가 핵심이다. 수능에서는 이러한 인과 관계를 정확히 파악하여 <보기> 사례에 적용하는 문제가 자주 출제된다. Point 2. 복수 견해 비교 (마티센 vs 듀어 vs 켈빈) 2문단에 등장하는 세 학자의 견해는 '견해 비교' 문제 유형의 전형이다. 각 학자가 '무엇을 전제로', '어떤 결론을 내렸는지'를 정리해야 하며, 선지에서 학자 간 견해가 뒤바뀌는 함정에 주의해야 한다. Point 3. 예외 사례를 통한 과학적 설명 헬륨은 '다른 모든 물질과 달리' 대기압하에서 삼중점이 없다. 이처럼 일반 원리의 예외가 되는 사례를 설명하는 구조는 수능 과학 지문에서 반복적으로 출제되며, '~와 달리'라는 대비 표지를 중심으로 읽어야 한다. Point 4. 수치 정보의 정확한 대조 4.2K(헬륨 액화/수은 초전도), 2.2K(람다점/상전이), 2K(15개 물질의 기준), 29가지(단일 원소 금속 중 대기압하 초전도 물질 수) 등 수치가 다수 등장한다. 수능에서는 이러한 수치를 선지에서 미세하게 변형하여 오답을 만드는 경우가 많다. 기출 매칭 &#128218; 2022학년도 수능 - 초전도체(BCS 이론) 초전도 현상의 미시적 원리(쿠퍼 쌍)를 다룬 지문. 이 지문의 거시적 발견 과정과 상보적 관계. &#128218; 2019학년도 6월 모의평가 - 상전이와 물질의 상태 물질의 상평형 그래프, 삼중점, 임계점 등을 다룬 지문. 이 지문의 삼중점 개념과 연계. &#128300; 출제 예상: 양자 역학적 현상의 응용 초전도체의 실용적 활용(MRI, 자기 부상 열차), 초유체의 산업적 응용 등을 <보기>로 제시하여 지문 내용과 연결하는 문제 출제 가능성 높음. &#129514; 과학사적 발견 과정 연계 가설의 대립, 실험 조건의 선택, 우연과 기술 수준이 발견 시점을 바꾸는 과학사 지문과 연결해 볼 수 있다. &#128200; 그래프 해석형 문제 대비 람다점 부근 비열 그래프처럼 수치와 그래프 모양을 함께 읽어야 하는 문제와 자연스럽게 연계된다. &#129516; 상전이·삼중점 개념 확장 헬륨의 예외적 상전이, 삼중점 부재, 양자 액체 개념은 일반적인 상태 변화 지문과 비교하며 이해하면 변별력이 높아진다. 독해 전략 과정 서술형 지문 읽기법 이 지문처럼 '발견의 과정'을 서술하는 유형은 (1) 실험의 목적, (2) 실험 방법과 조건, (3) 결과와 해석을 문단별로 정리하면서 읽어야 한다. 특히 '왜 이 방법/재료를 선택했는가'에 대한 인과 관계가 문제로 출제될 확률이 높다.