[재밌는 양자역학] 2. 흑체복사(Black Body Radiation)

안녕하세요! 생각하는 공대생입니다.

오늘은 고전역학에서 발생한 설명 불가능한 상황들과

과학자들은 이것을 어떻게 해결했는지 알아보겠습니다~!

이 세상의 절대법칙으로 군림할 것 같았던 고전역학!

그러나 역시 이 우주는 그렇게 만만하지 않았습니다.

강한 우주...

고전역학은 과학과 인류의 지식이 발전하면서 크게 두가지 상황에서 한계에 직면합니다.

1. 물질이 광속 (빛의 속도)에 가깝게 움직일때

2. 엄청나게 작은 물질들의 운동 (원자, 전자 등)

1의 상황은 위-대하신 아인슈타인(Albert Einstein)의 상대성이론에 의해 설명되고

(나중에 자세하게 포스팅할 예정입니다 >-<)

2의 상황을 설명하기 위해 생겨난 이론이 바로 양자역학입니다!!

흑체복사(Black Body Radiation)

열용량(Heat Capacity)

빛의 파동-입자 이중성(Wave-Particle Duality)

원자와 분자의 스펙트럼(Spectrum of atoms and molecules)

위의 현상들이 양자역학을 뒷받침하게 된 대표적인 현상들입니다. 

오늘은

흑체복사에 대해서 간단히 소개하도록 하겠습니다! 

명수옹의 흑채가 아닙니다 흑체...

우선 흑체(Black Body)란??

흑체는 모든 파장의 전자기파를 흡수하는 이상적인 물체입니다.

예를 들어 위와 같이 생긴 물체가 있다고 합시다.

이처럼 아주 작은 구멍만 뚫려있는 물체에 빛이 들어오면

처음 들어왔을때와는 다르게 무한히 반사되며 내부에 갖히게 됩니다.

(들어올땐 마음대로지만 나갈땐 아니란다...)

과학자들은 열과 빛의 관계를 설명하기 위해 흑체에 관한 연구를 계속하였고

빈의 변위법칙 (Wein's displacement law)

스테판-볼츠만 법칙 (Stefan-Boltzman law)

등 다양한 법칙들을 정립하게 됩니다. 

특히 레일리와 진스는

고전역학적 계산을 통해 흑체가 내뿜는 에너지밀도와 파장의 관계에 대하여

공식을 내놓습니다.

바로 레일리-진스 법칙 (Rayleigh-Jeans law)

그러나 레일리-진스 법칙은 실제 실험에 의한 데이터와는 차이가 있었습니다.

바로 자외선 파탄(Ultraviolet catastrophe) 현상!! 

빛의 파장이 길 때에는 공식이 어느정도 잘 맞았으나

빛의 파장이 짧을 경우 에너지가 무한대로 증가해버리는 결과가 나타난 것입니다!!

레일리-진스 법칙이 맞다면 우리는 모두 죽었을 겁니다.

모든 물체에서 엄청난 에너지가 뿜어져 나올 것이기 때문이죠...

이런 계산이 나온것은 고전역학의 등분배법칙(equipartition principle)을  계산에 이용했기 때문입니다.

(쉽게 말하면 진동수에 상관없이 모든 빛이 똑같은 평균에너지를 받는다는 법칙) 전혀 쉽지 않다

아무튼 !!

이 문제를 해결하기 위해  또한 혜성처럼 등장한 이가 있었으니..

막스 플랑크(Max Plank) 되시겠습니다.

플랑크는 최초로 에너지가 양자화(quantized) 되었다는 아이디어로 이를 설명합니다.

양자화란 에너지 준위가 연속적이지 않고 띄엄띄엄 떨어져 있다는 뜻입니다. (불연속적이다)

즉, 전자기파가 진동하기 위해서는 특정 값 이상의 에너지를 받아야 하며

에너지는 특정 값의 정수배 만을 갖는다는 겁니다.

요건 식으로 표현하면 다음과 같습니다

E=nhv (n=0, 1, 2, 3 ~, h는 플랑크 상수, v는 진동수)

그러면 E가 될수 있는 값이 hv, 2hv, 3hv … 요런식으로 됩니다.

슬슬 어려워지기 시작하죠? ㅋㅋㅋ

무튼 이런 아이디어를 바탕으로 유도한 에너지 밀도와 파장의 관계는 실험결과와 매우 잘 맞았고

양자역학 시대의 시작을 알리게 됩니다.

양자역학의 기초를 마련한 공로로 노벨 물리학상까지 받은 플랑크지만

정작 자신은 에너지가 띄엄띄엄 되어있다는 사실을 마음에 안들어 하고 의심하기까지 합니다.

아이러니 하네요 ~

 

다음에 계속