광양자와 레이저

흑체복사

물체가 내는 빛의 스펙트럼은 온도에만 의존한다.

모든 빛을 흡수할 수 있는 이상적인 흑체에서 발생되어 나오는 빛의 파장은 흑체의 종류에 상관 없이 단지 온도에만 의존한다. 이상적인 흑체란 파장에 관계없이 그에 비추어진 모든 복사에너지를 흡수하는 물체를 말하는 데 이러한 특성을 갖는 실제의 물체는 없다.

단지 속 부피가 크고 입구가 좁은 공동은 그 좁은 입구로 입사한 모든 빛을 내부 공동으로 받아들이나 내부에서의 반사를 거친 후 입구로 나갈 가능성은 0에 가까워서 거의 흑체로 생각할 수 있다. 이를 가열하면 입구에서 빛이 나오기 시작하는 데 그의 스펙트럼은 단지 온도에 따라 달라진다. 이 스펙트럼에 대한 다음 두 가지의 실험법칙과 이를 고전론으로 해석한 것은 성공을 거두었다.

1879년 슈테판-볼츠만 법칙: 흑체의 총복사선속밀도는 절대온도의 네제곱에 비례한다.

1893년 빈의 변위법칙: 최대 복사파장은 온도에 반비례한다.

그러나 흑체복사의 스펙트럼 곡선의 모든 영역을 해석할 수 있는 여러 가지 시도는 모두 실패를 하여 19세기말의 과학계의 뜨거운 주제가 되었다.

_ 슈테판-볼츠만 법칙_ 빈의 변위법칙_ 온도

에너지의 양자화

빛은 진동수에 비례하는 에너지 덩어리 형태로 방출 흡수된다.

19세기의 마지막 해 1900년의 12월, 플랑크는 공동내벽의 원자 진동자는 빛을 흡수, 방출하는 과정에서 그 빛의 진동수에 비례하는 불연속의 양만을 주고 받는다고 가정하여 이 스펙트럼 곡선을 완벽하게 맞출 수 있었다.

그 불연속의 양은 진동수($\nu$)에 비례하는 hν의 정수 배로서 여기서의 $h$는 플랑크 상수로 $h=6.625\times 10^{-34}\mathrm{J \cdot s}$이다. 단위면적의 흑체에서 방출되는 빛의 에너지인 분광방출도는 다음과 같다. \[ I(\lambda) \propto \frac{1}{\lambda^5 \left( e^{\frac{hc}{\lambda kT}} -1 \right)} \]

_ 플랑크 상수_ 진동자_ 진동수

광전효과

빛이 전자를 튕겨낸다.

1880~90년대에 금속의 표면에 빛을 비추었을 때 전자가 방출되어 나온다는 것을 알았다.

이에 대한 여러 사람에 의한 실험의 결과는 이때 방출되는 광전자의 최대 운동에너지는 비추어진 빛의 밝기에 무관하고 단지 그 파장에 의존한다는 것을 알아내었다. 이 결과를 빛의 파동론으로 해석하려는 여러 시도는 실패하였고 1905년 아인슈타인의 광양자설로 해결되었다.

빛이 hν의 에너지를 갖고 있는 입자이다.

아인슈타인은 금속내부의 전자는 비추어진 빛의 알갱이의 에너지를 덩어리째 흡수하여 이 전자가 금속을 박차고 나갈만큼 충분한 에너지를 얻으면 비로소 광전자로 방출되고 그 남은 에너지는 운동에너지로 변한다고 생각하였다.

이 빛의 입자 즉 광자의 에너지는 바로 플랑크 이론의 $h\nu$로 파동의 속성인 진동수에 비례한다. \[ E = h\nu = \hbar \omega \] \[ p = \hbar k \]

_ 아인슈타인_ 광양자설_ 운동량_ 진동수_ 플랑크_ 파동