양자역학은 무엇이고 어떤 연구로 시작되었을까?(막스플랑크부터 아인슈타인까지)

Posted by comfycow
2018.03.07 17:08 과학


양자역학은 다양한 과학 분야에 영향을 미치면서 현대 과학의 발전을 이끌었다. 그렇다면 이 양자역학이란 것은 어떤 역사를 갖고 발전하게 되었을까? 그 역사의 시작은 다음과 같은 질문에서 시작이 된다. 우리가 보는 이 빛. 빛은 입자일까, 아니면 파동인 것일까?


양자역학은 무엇이고 어떤 연구로 시작되었을까?


이를 밝혀 내고자, 1803년에 토머스 영이라는 과학자가 "이중슬릿실험"이라는 실험을 진행했다.



그림과 같이 아주 가까운 두 개의 좁은 틈으로 빛을 비추고 그때 나타나는 패턴을 관찰했던 실험이다. 그러자, 두개의 틈 사이 벽이 드리우는 그림자 한가운데에 희미한 빛의 선이 나타났고 그 주변에는 더 희미한 줄무늬들이 나타났다. 토마스 영은 "간섭"이라는 현상 때문에 이런 일이 발생한다는 것을 알아냈다.

간섭은 두개의 파동끼리 충돌할 때 생기는 효과로 음파, 파도, 전파는 모두 간섭을 만들 수 있다는 의미를 갖는다. 이 실험 때문에 당시 거의 모든 과학자가 빛은 파동이라고 생각하고 있었다.


빛에 대한 이미지 검색결과


그런데, 20세기초에 물리학자들은 고전 물리학으로 설명되지 않는 물질과 에너지의 관계를 적극적으로 연구하기 시작했다. 그 중에 빛에너지의 성질은 큰 수수께끼였다. 독일의 물리학자 맥스 플랑크는 이 문제에 대해 가장 먼저 접근한 과학자였다. 그는 1900년에 발표한 "양자론"에서 빛은 연속적인 것이 아닌 "개별적인 것"이라고 하면서 빛 에너지의 최소단위를 양자라고 불렀다.


예를 들면 빛의 광자 1개는 최소 에너지인 양자 1개이다 라는 것막스플랑크는 양자이론에서 한 개의 양자(오늘날의 광자)가 가진 에너지(E)는 [ E= hf ]이다라고 정의했다.


아인슈타인에 대한 이미지 검색결과


아인슈타인은 빛이 파동이긴 하지만 그 에너지가 일정한 단위로 떨어져 있다고 제안하고 즉, 빛은 작은 에너지 단위의 다발(양자)로 존재한다는 증거를 가져왔다. 그것이 바로 광전효과이다. 1905년, 아인슈타인이 양자 이론을 응용하여 "광전효과"를 발표하고 1913년엔 닐스보어가 원자의 양자모델을 내놓았다. 결국, 막스플랑크의 이러한 연구는 양자역학이라는 새로운 물리분야를 탄생시켰다.


우선, 광전효과란 무엇이냐면 아인슈타인은 막스플랑크의 양자이론을 기초로 하여, 빛은 광자(입자)의 흐름이라고 생각했다. 물질에 "일정한 진동수 이상의 파장이 짧은 전자기파를 쬐면" "에너지를 흡수하여 그 물질에서 전자가 방출되는 광전효과가 나타났다고 설명했다" 그리고 이 전자들의 속도가 빛의 색깔에 따라 달라진다고도 말했다.


물질에 에너지를 가하면 전자가 방출되는 현상을 발견함에 따라 빛은 파동인 동시에 입자라는 빛의 입자파동 이중성을 발견 할 수 있었다. 그리고 "양자역학"이라는 새로운 물리 분야는 이렇게 100년도 전에 빛이 어떻게 파동이자 입자인지를 설명하기 위해 만들어진 것이다.