빛과 양자역학

양자역학을 들어가기 전 기초 지식

 

 

원소 < 원자 < 분자

 - 원소 : 물질을 구성하는 성분의 종류로 셀 수 없다. (산소, 수소 등)
 - 원자 (原子, atom) : 물질을 구성하는 가장 작은 입자. 화학적으로 더 이상 쪼갤 수 없으며, 갯 수를 셀 수 있다.
    모든 고체, 액체, 기체, 플라즈마가 전부 원자로 이루어져 있다.
    현대 물리학의 관점에서 볼 때 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있으며,
    원자핵은 중성자와 양성자로 구성된다. 또 핵반응을 통해서는 더 작은 단위로 나뉜다.
- 분자 (分子, 영어: molecule) : 물질의 성질을 갖는 가장 작은 단위. 여러 개의 원자가 화학적으로 결합한 입자

 

** 예) 물을 이루는 원소는 수소와 산소이며
        물은 물분자로 이루어져 있으며 
        물분자는 수소원자 2개와 산소원자 한 개로 구성되어 있음 
** 예) O는 산소원자지만 O2는 산소분자로 산소의 성질을 갖는다.

 

원소의 주기율표

 

 

 

양자역학(量子力學, quantum mechanics, quantum physics, quantum theory)

 

분자, 원자, 전자, 소립자 등 미시적인 계의 현상을 다루는 즉, 작은 크기를 갖는 계의 현상을 연구하는 물리학의 분야이다. 
양자역학이라는 용어는 독일의 물리학자 Max Born (1882~1970)이 처음 제시했다. 독일어 'Quantenmechanik(퀀텐메카닉)'이 영어 'Quantum mechanics'로 번역되었고 일본에서 이를‘量子力學(료오시리키가쿠)’라 번역했는데 이것이 한국에 그대로 들어와 ‘양자역학'이라 부르게 되었다.
양자역학이란 말을 이해하려면 ‘양자’와 ‘역학’을 각각 살펴보는 것이 좋다. ‘양자(量子)’로 번역된 영어의 quantum은 양을 의미하는 quantity에서 온 말로, 무엇인가 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것을 가리키는 말이다. ‘역학(力學)’은 말 그대로는 ‘힘의 학문’이지만, 실제로는 ‘이러저러한 힘을 받는 물체가 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 물리학의 한 이론’이라고 할 수 있다. 간단히 말해 ‘힘과 운동’의 이론이다. 이렇듯 양자역학이란 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것이 이러저러한 힘을 받으면 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 이론이라고 할 수 있다.

 

 

• 아이작 뉴턴은 1672년에 획기적인 발견을 했다. 캄캄한 방 안에서 가느다란 빛줄기가 프리즘을 통과하면 빨간색부터 보라색에 이르는 무지개 색과 똑같았다. 이렇게 갈라진 전체색의 빛을 렌즈에 통과시키면 다시 백색광으로 변했다. 뉴턴은 색은 빛의 기본 요소이며, 백색광은 스펙트럼상의 모든 색이 합쳐진 결과라고 결론 내렸다. 또, 스펙트럼상의 모든 색의 빛은 각각 굴절 정도가 다르며 고유하다는 사실도 알아냈다. 1675년 박막의 간섭 현상을 발견하였는데, 여기서도 그의 "빛의 입자설"과 네덜란드의 크리스티안 하위헌스가 발표한 "빛의 파동설"의 엇갈린 주장으로, 두 사람 사이에는 한동안 논쟁이 계속되었다.(단, 오히려 라이프니츠와 뉴턴이 서로의 수학적인 업적들을 인정하고 존경했다고 하는 사람들도 있어서 어느 쪽이 사실인지는 아직도 확실하지 않다.) 번외로, 뉴턴은 실험한답시고 자신의 눈을 찔렀었다 (몇달 앓긴 했으나 나아졌다).
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• 영국의 과학자 토머스 영(Thomas Young, 1773~1829)이 이중슬릿 실험(Double-slit experiment)을  통해 빛의 파동임을 별견했다.  이는 17세기에 아이작 뉴턴은 빛의 입자설을 뒤엎는 발견이었다. 
  양자역학에서 물질의 파동성과 입자성을 구분하는 실험으로, 어떤 물질이 두 개의 미세한 구멍(슬릿, slit)을 동시에 통과하는지 관찰하여 그것이 파동(wave)인지 입자(particle)인지 밝힐 수 있다.
  
  파동은 회절(回折, diffraction)과 간섭(干涉, Interference)의 성질을 지니고 있기 때문에, 파동이 동시에 미세한 구멍을 빠져나오게 되면 회절과 간섭이 작용하고 뒤쪽 스크린에 그 무늬가 나타난다. 반면 입자는 이러한 특성이 없으므로 간섭 무늬가 나타나지 않는다.
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이중 슬릿 실험:

• 1862년 제임스 맥스웰은 전기와 자기에 의해 생성되는 파동 즉 전자기파의 속도를 측정하는 실험을 통해 그 속도가 초속 30만km임을 밝혀낸다.

 

• 1900년 실험으로 알고 있는 흑체 복사(Blackbody radiation)의 자외선 파탄을 해결하여 에너지 밀도의 주파수에 대한 함수를 도출하기 위해 플랑크가 에너지 양자(양자화)의 개념을 도입했다. 양자역학의 기본 상수 중 하나인 플랑크상수(Planck constant)가 h라는 표시로 등장하였다.
  "양자화"란 빛이 에너지가 뛰엄뛰엄하다는 의미 즉 특정한 값의 배수로만 된 입자의 성질을 가졌다는 것이다.
  예로 1kg짜리 당구공이 2개면 2kg, 3개가 모이면 3kg이며 이를 그 사이의 숫자인 1.2kg 나 1.7kg 등으로 쪼갤 수 없다는 의미이다

 

• 1903년 톰슨은 전자를 발견하고, 원자내부에 전자가 건포도처럼 박혀 움직인다는 원자모형을 발표했다.
  
  
• 하인리히 헤르츠는 음극선실험을 하다가 광전효과를 발견한다.
  광전효과란 금속표면에 특정 진동수보다 더 큰 진동수의 빛을 비추었을 때 금속에서 전자가 튀어나온다는 것으로 빛이 입자임을 나타내는 것이다.

 

• 1905년 아인슈타인은 당시 광전효과를 빛의 파동설로는 설명하지 못했던 것을  빛의 에너지가 양자(광자)로 구성되었다는 가설을 세우고, 이로써 광전 효과를 설명하였다.
  즉 빛을 자세히 들여다보면 "광자"라는 입자화된 작은 에너지 알갱이가 있고 금속에 일정 진동수 이상의 빛을 비췄을 때 전자가 튀어나오는 이유는 "광자"와 "잔자"가 충돌했기 때문이며 광자는 물질과 상호작용을 할 때 입자처럼 행동하며 전자와 충돌할 때 가지고 있던 에너지를 전자에게 주면서 전자를 금속에서 튀어 나가게 만든다.
  당시 빛이 파동이라는 정설을 다시 한번 뒤집어 엎으며 노밸물리학상을 탔다.
  
  
• 1907년 아인슈타인은 양자 가설을 사용하여 고체 비열의 온도 의존성을 설명하였다 (아인슈타인 모형).
  
  
• 1911년 톰슨의 제자인 러더포드는 톰슨의 원자모형을 기반으로 양성자 주위를 전자가 가속을 하면서 돈다는 주장을 했다.  원래 (+)양성자와 (-)전자가 서로 붙어야 하는데 붙지 않는 것은 전자가 가속을 하기 떄문이라고 ..
  
  
• 1913년에는 보어가 고전 역학으로는 설명할 수 없었던 수소의 불연속적인 스펙트럼을 양자화를 이용해 설명하는 이론을 세상에 내놓았다.  또한 전자는 일정한 궤도만을 돈다는 "정상상태"와 갑자기 전자가 한 궤도에서 다른 궤도로 건너뛰는 "양자도약"이론을 발표했다.
  
  
• 1923년 콤프턴은 아인쉬타인은 빛 입자설을 증명했다.
  그는 X선의 광자를 흑연에 쏘았더니 빛이 마치 마치 두 개의 부닥친 당구공처럼 움직이는 사실을 알아냈다 - 빨간 당구공을 노란공으로 맞추니 빨간 공이 맞고 나가는 각도나 노란공이 휘어져 나가는 각도가 같다-  즉 튕겨진 전자 와 산란된 광자 (빨간 당구공,  흑연입자)와 산란된 광자(노란 당구공)를 발견했다.
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• 1924년에 드브로이는 모든 물질이 입자인 동시에 파동이라는  드브로이파(물질파)의 개념을 주장했다.
  
  
• 1926년경엔 양자역학의 수학적 기초가 슈뢰딩거와 하이젠베르크에 의해 파동역학과 행렬역학이라는 두 가지 형식이 제안되었고, 슈뢰딩거는 이 두 형식이 동일한 물리학의 다른 표현임을 보였다.
  
  
• 1927년 하이젠베르크는 불확정성 원리를 도입하였고, 거의 같은 시기에 보른에 의해 파동함수가 명확하게 해석되었다. 이즈음, 디랙은 양자역학과 특수상대성이론을 통합하여 디랙 방정식을 만들었고, 또 브라-켓 표기법을 도입하였다.
  
  
• 1927년 클린턴 데이비슨과 레스터 저머가 전자를 대상으로 이중슬릿 실험을 하여 입자성과 파동성이 동시에 나타날 수 있다는 것을 증명하였다. 이 실험 결과는 당시 입자와 파동을 서로 반대의 성질로 규정하며 양립할 수 없는 것으로 여겼던 물리학적 상식을 흔들어 놓았다. 이것을 설명할 수 있는 새로운 관념과 물리학적 해석이 불가피하였고 그것이 양자론의 탄생으로 결실을 맺는다. 이 역사적 사실들을 통해 이중슬릿 실험이 갖는 중요한 과학적 의미를 확인할 수 있다.
  
  
• 1932년 폰노이만은 양자역학의 수학적 공식화를 하였다.
  
  
• 1940년대엔 파인먼, 다이슨, 슈윙거, 도모나가에 의해 양자전기역학이 성립되었다. 비슷한 시기에, 폴링의 양자화학을 필두로 양자역학이 여러 실용적인 문제와 미시계의 시뮬레이션에 활용되기 시작했다. 이는 코펜하겐 해석의 완성자인 폴링, 원자 폭탄의 아버지인 오펜하이머 등의 학자들의 노력으로 발전하였다. 최근 밀도범함수이론이 발전하여, 슈뢰딩거의 방정식과는 다른 각도에서 문제를 근사적으로 풀이할 수 있게 되면서, 양자역학의 미시계 모사는 성공적으로 자리잡았다.
  
  
• 양자 색역학의 역사는 1960년대 초부터 시작했다. 현재 알려진 것과 같은 이론은 폴리처, 그로스, 윌첵과 같은 사람들에 의해 1975년에 완성되었다. 슈윙거, 힉스, 골드스톤 등과 다른 많이 선구적인 연구에 기초해서, 글래쇼, 와인버그, 살람 등은 약한 핵력과 양자전기역학이 하나의 전기·약 작용으로 나타나는 것을 각각 증명했다.