광량자 - 빛의 양자성

 

 

빛이란 무엇인가?

 

빛의 속성이란?

우리가 사물을 알아보게 되는 직접적이고 중요한 과정은 사물로부터 나오는 빛을 눈으로 관측하는 것이다. 빛은 어떻게 우리의 눈으로 사물을 인식하게 하는 것일까? 빛은 어떠한 성질을 가지고 있을까? 이것은 아마 가장 오래된 자연에 대한 의문일 것이다. 물체나 다른 사람이 거기 있음을 알게 하고 내가 여기 있음을 알게 하는 이 빛이 없었다면 어떠할까? 빛이 비록 눈에 보이는 것이기는 하지만 이것이 물체를 알아보게 하는 매개체로서 역할을 하게 되므로 이 자체에 대해서 알기는 좀처럼 쉬운 일이 아니었다. 빛이 기본적으로 직진한다거나 속도가 매우 빠른 것 같다는 등의 성질들은 쉽게 알 수 있지만 이것이 모래알이나 공처럼 알갱이로 되어 있는가, 아니면 파도처럼 넘실대면서 진행하는 파동으로 되어 있는가 등의 기본적인 속성에 대한 질문에 답하기 위하여 많은 자연과학자, 철학자들이 고민하였다.

이 고민에 대한 답이 하나씩 제시될 때마다 자연계에 대한 이해가 새로워 졌다. 이 빛은 그 빛만의 문제가 아니라 자연의 질서를 이루는데 있어서 결정적인 것이 역할을 하는 것을 알 게 되었다. 바로 이 우주는 빛과 물체의 조화로 운행되는 것이다!

성경에 있듯이 이 빛이 우주를 만들 수도 있거니와

불경에 있듯이 빛은 물체로, 물체는 빛으로 바뀔 수도 있다. (色卽是空 空卽是色)

 

 

빛의 입자론 - 뉴턴

빛의 속성에 대한 뉴턴의 처음 생각은 빛이라는 작은 입자가 충만된 에테르라는 매질을 떨게 한다는 것이었다. 붉은 색은 긴 진동을, 푸른 빛은 짧은 진동을 한다는 비교적 입자성과 파동성을 같이 포함하는 이론을 주장하다가, 시간이 흐름에 따라 입자성으로 기울어 지게 되었다. 일상생활에서 볼 수 있는 파동은 쉽게 퍼져 버리는데 빛은 비교적 정확하게 직진한다는 사실이 파동성을 점점 멀리 하게 만들었던 것이다.

한편 비슷한 시기에 호이겐스라는 사람은 파동성을 주장했는데 이로부터 굴절, 반사의 법칙을 검증할 수 있었고, 빛의 편광현상도 발견했다.

그러나 뉴턴의 권위 때문에 빛이 입자라는 학설은 거의 150년동안 흔들리지 않았다.

 

 

빛의 파동론 - 맥스웰

1800년대에 들어와서 빛이 파동일 수밖에 없는 새로운 현상들이 속속 관측되었다. 빛의 간섭, 회절, 물 속에서의 빛의 속도 등에 대한 실험결과를 해석하기 위하여 빛은 파동일 수밖에 없는 것이다.

1860년대에 맥스웰이 빛은 전기장과 자기장이 교대로 출렁거리는 것이라는 것을 확인하고부터 빛에 대한 전모가 파악된 듯이 보였다. 즉 지금까지의 모든 실험결과는 빛을 파동으로 봤을 때 100% 설명된다.

 

 

빛의 새로운 입자론 - 아인슈타인

20세기가 되기 전에 파동으로 설명 안되는 새로운 실험결과들이 발표되었다. 즉 물체가 가열될 때 내는 빛의 색분포(흑체복사)와 빛을 받은 금속이 방출하는 전자의 에너지 분포(광전효과)에 대한 실험은 빛에 대한 전혀 새로운 성질이었다.

독일의 막스 플랑크는 물체가 내거나 받아들이는 빛의 에너지는 진동수에 비례하는 에너지 값의 배수이다는 제안을 하여 흑체복사에 대한 해석을 할 수 있었고, 또한 아인슈타인은 과감하게 빛은 입자로서 바로 운동량과 에너지가 파장과 진동수에 의존한다는 제안을 하여 광전효과를 설명할 수 있었다. 비록 뉴턴의 단순한 입자설과는 거리가 멀지만 없어진지 50여년만에 부활되었다.

 

 

빛의 이중성과 양자역학

도대체 빛은 입자인가? 파동인가? 일견 논의는 다시 원점으로 돌아간 것처럼 보인다. 이 둘은 공존하기 곤란한  성질이기에 더 혼란스러울 수 있다. 그러나 입자로 해석해야 하는 명백한 증거도 충분하고, 파동으로 해석해야 하는 명백한 증거도 충분하다. 따라서 이 두 성질을 다 가지고 있다고 해야 하므로 파동과 입자가 공존할 수 있는 그림을 그려야 했다.

구슬이나 전자 등 명백한 입자 또한 파동의 성질을 가지고 있다는 양자의 개념이 나타나고부터 새로운 그림을 그릴 수 있게 되었다. 즉 양자역학이 빛과 물체를 망라하여 그 속성을 설명할 수 있는 통일된 이론인 것이다.

 

 

 

 

 

빛의 양자론

빛이 양자로 되어 있다는 새로운 안목은 이 빛에 대한 새로운 이용을 가능하게 하였다. 물질이 띄엄띄엄한 에너지 준위를 가지고 있고, 이 준위를 넘나들 때 그에 상당하는 빛을 낸다는 양자역학의 기본원리는 양자광학이라는 새로운 분야를 탄생시켰고 이는 21세기에 있어서 전자공학을 대신할 걸로 기대하는 광공학으로 발전되고 있다.

 

흑체복사와 플랑크 양자화 가설

 

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 말하는데 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 시작하는데 그의 스펙트럼은 단지 온도에 따라 달라진다. 이 스펙트럼에 대한 다음 두 가지의 실험법칙과 이를 고전론으로 해석한 것은 성공을 거두었다.

1879년 스테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann)의 T4 법칙 : 흑체의 총복사선속밀도는 절대온도의 4승에 비례한다.

1893년 비인(Wein)의 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.

  흑체복사 스펙트럼 곡선

 

 

빛은 진동수에 비례하는 에너지 덩어리 형태로 방출 흡수된다.

19세기의 마지막 해 1900년의 12월, 막스 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(ν)에 비례하는 hν의 정수배로서 여기서의 h를 플랑크 상수라 한다. ( h=6.625 ×10-34Js)

단위면적의 흑체에서 방출되는 빛의 에너지인 분광방출도는 다음과 같다.

 

  

 

광전효과와 광량자설 

 

빛이 전자를 뛰겨낸다.

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 광량자설로 해결되었다. ("현대물리실험"의 "광전효과 실험" 참조)

 

 

 

실험결과

 

 

빛이 hν의 에너지를 갖고 있는 입자이다.

아인슈타인은 금속내부의 전자는 비추어진 빛의 알갱이의 에너지를 덩어리채 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 hν로 파동의 속성인 진동수에 비례한다.