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Nov 09, 2023

물리학

Jill은 뉴욕의 Skidmore College에서 물리학 강사로 재직하던 초기에

Jill Linz는 뉴욕 Skidmore College에서 물리학 강사로 재직하던 초기에 자신의 클래식 음악 배경과 전문적인 과학 생활을 융합하고 싶었습니다. 그녀는 원자 데이터를 고유한 가청 톤으로 매핑하는 프로젝트에서 이러한 분야의 교차를 위한 장소를 찾았습니다. 이제 교육 도구로 시작된 것이 그녀로 하여금 완전한 "청각 주기율표"를 만들게 되었습니다. 그녀는 표에 있는 각 요소의 파형과 음조 품질을 조사함으로써 원자의 "소음화"가 어떻게 요소 간의 예상치 못한 구조적 관계를 드러낼 수 있는지 탐구하기 시작했습니다. 이 작품은 미국 음향학회 제183차 회의에서 발표되었습니다.

원자의 음향화에 대한 Linz의 원래 동기는 1997년 음악 음향 및 디지털 합성 기술 과정을 가르치던 중 나왔습니다. "멋진 소리를 만들고 싶었어요!" 그녀는 말한다. 그리고 그녀는 탄소, 수소 및 기타 단순 원소의 스펙트럼 선을 나타내는 파형을 생성함으로써 그렇게 했습니다. 이러한 스펙트럼 선은 전자 에너지 상태 간의 전이에 해당하며, 이로 인해 특정 주파수에서 빛이 방출됩니다. Linz는 이러한 빛의 주파수를 취하여 0~1000Hz 범위의 가청 주파수로 표현했습니다. 그런 다음 변환된 주파수와 상대 진폭(해당 색상 구성 요소의 밝기에 해당하는 값)을 디지털 오디오 프로그램에 입력하여 이를 결합하여 원시 기본 사운드를 형성합니다. 마지막으로 그녀는 이 사운드에 지수적 감쇠를 적용하여 귀에 더 듣기 좋은 "현을 뽑아낸" 톤을 만들었습니다. 이러한 독창적인 원자 톤은 고전 및 현대 음악 작품에 영감을 주었으며 과학적 분석은 먼 생각이었습니다.

그러나 교육자이자 물리학자로서 Linz에게는 정확성이 가장 중요했습니다. Atom Music 프로젝트가 확장되어 이과 학생과 비과학 학생 모두에게 인기 있는 강좌가 되자 Linz의 물리학 및 화학 동료들은 그녀에게 자신의 방법을 공개하고 주기율표 전체를 완성할 것을 촉구했습니다. "원래 아이디어는 차트나 스펙트럼 선을 볼 수 없는 시각 장애인 학생들을 위한 화학에서 나온 것입니다."라고 그녀는 말합니다. 당시 그녀는 가장 간단한 8개 원소에 대해서만 톤을 만들었지만 2016년에 주기율표의 모든 원소에 대해 동일한 작업을 하기로 결정했습니다. "과학이 올바른지 확인하고 그것을 전체적으로 살펴보는 것은 제가 원래 생각했던 것보다 훨씬 더 어려운 일이었습니다."

Linz와 연구생은 국립 표준 기술 연구소(National Institute of Standards and Technology)의 데이터를 사용하여 각 요소에 대해 관찰된 스펙트럼 선을 조사했습니다. Linz는 "이를 자동화할 수 있는 수학적 방법은 없습니다."라고 말하면서 일부 요소에는 함께 혼합되는 수백 개의 개별 선이 있다는 점을 지적했습니다. 그녀는 사운드를 생성하는 데 중요한 라인과 그렇지 않은 라인을 결정하는 알고리즘을 개발해야 했습니다. 그런 다음 오디오 엔지니어링 소프트웨어를 사용하여 신호 처리 방법을 적용하여 각 라인 세트의 수학적 합에서 사운드를 생성했습니다.

2022년 11월까지 린츠는 마침내 가청 주기율표를 완성했습니다. 그녀의 화학 동료들은 주기율표 그룹(금속, 희가스, 알칼리성 원소) 중 소리로 식별할 수 있는 것이 있는지 즉시 알고 싶어했습니다. 예를 들어, 전이 금속 그룹의 모든 요소는 특정 음질을 공유합니까? "우리는 서로 다른 원소의 파형 사이에 일부 상관관계를 볼 수 있었습니다. 그러나 이러한 상관관계는 주기율표 그룹과 일치하지 않았습니다."라고 Linz는 말했습니다. 주기율표 그룹은 외부 껍질 전자와 원자 간에 공유되어 화학 결합을 형성하는 방법을 기반으로 합니다. 그러나 스펙트럼 선은 단일 원자 내에서 전자가 만드는 전이를 기반으로 합니다. "주기율표 그룹이 스펙트럼 선에서 생성된 소리와 동일한 패턴을 나타내지 않았다는 것은 의미가 있습니다"라고 Linz는 말합니다.

대신 Linz와 그녀의 동료들은 소리가 얼마나 조화롭게 들리는지에 따라 요소를 그룹화하여 어떤 패턴이 나타나는지 탐구하고 있습니다. 지금까지 그들이 발견한 패턴 중 하나는 탄소, 산소, 수소와 같은 질량이 낮은 원소가 불협화음을 갖는 경향이 있다는 것입니다. 이러한 가벼운 요소의 스펙트럼 선은 전체 스펙트럼에 걸쳐 간격을 두고 있습니다. 대조적으로, 납과 같은 무거운 금속은 더 높은 음조를 갖는 경향이 있는 더 순수한 톤을 갖습니다. 이러한 요소의 스펙트럼 선은 서로 훨씬 더 가깝기 때문에 깨끗한 사인파에 접근하는 파형이 생성됩니다. 그러나 중금속에는 예외가 있습니다. 탈륨은 비정상적으로 불협화음을 냅니다. "그것은 속하지 않습니다. 이것은 나에게 흥미를 끄는 이상치 패턴 유형입니다"라고 Linz는 말합니다.