[재밌는 양자역학] 4. 빛의 이중성(Wave-Particle Duality)

안녕하세요!! 생각하는 공대생입니다.

이번에는 ~ 빛이 입자의 성질과 파동의 성질을 모두 갖는다는

빛도 이중인격?

빛의 이중성 (wave particle duality)에 대하여 알아보겠습니다!!

역사적으로 역시 '빛'의 정체에 대하여 학자들은 많은 연구를 해왔습니다.

데모크리토스 : 빛은 입자다

아리스토텔레스 : 빛은 파동이야!!

아이작 뉴턴 역시 그의 저서 <광학>에서 빛은 입자라고 주장했습니다.

당시에도 "빛은 서로를 향해 쏴도 충돌하지 않는다"는 논리를 통해

로버트 훅은 빛이 입자가 아니라고 주장했으나

당시 뉴턴이 너무 막대한 영향력을 행사하고 있어서

가볍게 무시당해버립니다

아무튼

전에 말씀드렸듯이 지상의 모든 운동과

 신의 영역이라 여겨졌던 천체의 운동까지 

고전역학으로 모두 설명하게 되면서

신성하게 여겨졌던 빛조차도 어렵지 않게 설명할 수 있다는 

인류의 자신감이 하늘을 찌를때였습니다!!!

역시나 빛도 만만하지 않았습니다 ㅎㅎ

호이겐스의 원리

페르마의 최소시간원리 등

빛이 파동의 성질을 갖는다는 간접적인 증거는 있었으나

명확하게 설명하지는 못했죠

 이후 토마스 영(Thomas young)이라는 인물이

이중슬릿 실험으로 빛의 파동설을 제안합니다.

S1에 아주 작은 구멍을 뚫고 빛을 비추면 빛은 a를 통과하면서 회절하게 되고

다시 S2에 있는 두개의 b, c를 통과하면서 간섭을 일으키게 됩니다.

최종적으로 F에 간섭무늬를 나타내게 되고

(밝은 부분은 보강간섭, 어두운 부분은 상쇄간섭)

이 결과는 빛이 파동이라는 설을 완승으로 이끌었습니다.

이후 맥스웰(James Clerk Maxwell)은 맥스웰 방정식으로 빛도 전자기파라는 것을 증명하였고

헤르츠(Heinrich Rudolf Hertz) 역시 실험으로 이를 증명하였죠

빛 역시 전기장과 자기장이 수직방향으로 진동하는 전자기파였던 것입니다!!

그렇게 빛은 파동이다!라고 결론이 나는 것처럼 보였습니다.

그러나

ㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋ 

누가 함정카드 갖고 나옴

짠! (메 롱)

광전효과(Photoelectric effect)를 설명하기 위한 광양자 가설

을 가지고 아인슈타인이 또다시 등장합니다!

아인슈타인은 상대성이론이 아니라 요걸로 노벨 물리학상을 받았다는 사실~

광전효과란 금속에 빛을 비추었을 때 전자가 튀어나오는 현상을 말합니다.

요렇게 튀어나온 전자를 광전자라고도 하죠!

요게 뭐가 문제가 되느냐?

빛의 파동성은 빛의 세기 (밝은빛 or 어두운빛)에 따라 전자가 튀어나오는 속도(에너지)가 다를것이라고 예측했습니다.

또한 빛의 세기만 충분하다면 빛의 진동수와 상관없이 전자가 나올 것이라 생각했죠.

하지만!!

실제 실험을 해본 결과

아무리 빛이 약하더라도 (어두워도) 특정 진동수 이상의 빛이기만 하면 전자가 '바로' 방출되었고

마찬가지로 빛이 아무리 밝더라도 특정 진동수 이하면 전자가 방출되지 않았습니다. 

 빛이 파동이라면, 약한 빛이라도 오래 쪼여주면 에너지가 축적되어 전자가 나와야 하는데 그렇지 않았고

금속의 종류에 따라 전자가 나오는 빛의 진동수가 달랐는데

이는 모두 빛이 파동이라면 설명되지 않는 현상이었습니다.

	빛의 파동성에 따른 예상	광전효과 실험결과
빛의 세기	빛의 세기가 셀수록 방출된 전자의 에너지(속도)가 커야한다.	방출된 전자의 에너지(속도)는 빛의 세기와 관련없다.
빛의 진동수	진동수와 상관없이 빛의 세기가 세면 광전효과가 일어난다.	특정 진동수 이상의 빛을 쪼여 줄 때에만 광전효과가 일어난다.
전자의 방출 시간	에너지를 얻은 전자가 튀어나올 때까지 시간이 걸린다.	광전효과는 즉시 일어난다.

이를 설명하기 위해 아인슈타인은 

빛은 연속적인 흐름이 아니라 광양자라는 불연속적인 입자의 흐름으로 생각했습니다.

즉 전자가 금속 밖으로 나오려면 W(일함수)만큼의 언덕을 넘어야 하는데

입자인 빛(광양자)이 날아와 전자랑 충돌하면서 그만큼의 에너지를 준다는 것이죠.

W만큼의 에너지는 언덕을 탈출하는데 쓰이고 남는 에너지는 전자가 얼마나 빠르게 운동하느냐에 쓰입니다.

(광양자 에너지)=(금속 언덕을 탈출하는데 드는 에너지 W)+(전자 운동에너지 Ek)

쉽게 얘기해서 여러분이 산을 오른다고 하면 

여러분은 전자(electron)

먹는 밥은 광양자 에너지일 것이고

산의 높이에 따라 올라가는데 드는 힘이 W 

그리고 산을 오르면서 쓴 에너지를 뺀 나머지 에너지가 산 위에서 돌아다니는 Ek

요렇게 이해할 수 있습니다!!

결국 과학자들은 빛은 입자이자 파동이다!

라는 결론을 낼 수 밖에 없었습니다.

??

입자와 파동을 비빔박자로 비벼보겠습니다 ㅋㅋㅋ

후에 빛뿐만 아니라 전자 역시 이중성을 가진다는 것을 확인하였고

매우 작은 세계(미시세계)를 설명하는 학문인

양자역학(Quantum Theory)이 본격적으로 발전하기 시작합니다.

다음에 계속