물알못 유게이를 위한 양자역학 소개글 -2편-

1편 젤다: 

https://bbs.ruliweb.com/community/board/300143/read/36014532

 

 

1편에서 양자역학이 나오게 된 배경을 설명했는데 이제 양자역학이 뭔지 본격적으로 설명해보도록 할게

 

양자역학이란

1.양자화되어있는 물리량을

2.파동함수를 이용하여 다루고

3.확률적으로 해석하여

원자의 구조를 이해하고 원자가 내는 스펙트럼과 주기율표를 성공적으로 설명해낸 새로운 물리학이야

 

먼저 "1. 양자화되어있는 물리량을" 에서 양자가 뭔지 알아보자

 

양자가 뭘까? 양성자?

여기서 양자는 물리량의 최소단위로 물리량의 '량'과 알갱이를 뜻하는 '자'를 합친 말이야

따라서 모든 물리량은 불연속적인 물리량, 즉 알갱이로 되어있다는거지

그럼 물리량은 뭔데 불연속적이냐고?

물리량은 물리학에서 대상이 되는 양으로 길이, 면적, 부피, 질량, 운동량, 온도, 전압, 속도 등등 물리시간에 나오는 대부분의 단어라고 생각하면 돼

근데 상식적으로 생각해서 이런 물리량들은 불연속적일 수가 없지?

일단 불연속적이라는 말을 쉽게 얘기해보자

유게이가 차를 타고 속도를 올리는데 차의 속도가 0~100km/h까지 부드럽게 올라가는게 아니라 속도가 0이었다가 갑자기 50, 또 갑자기 100km/h로 올라간다고 생각하면 돼

아니 이게 말이나 되는 소리야? 어떻게 속도가 순간이동하는 것도 아니고 갑자기 올라가지?

또 온도를 예로 들어도 말이 안돼

유게이가 라면을 끓이는데 차가운 물이 갑자기 끓어오르는거지

근데 이 이상한 개념을 증명한 과학자가 바로

 막스 플랑크라는 분이야

이분은 이과생 유게이라면 한 번쯤은 '플랑크 상수'를 통해 들어봤을 거야

그럼 이분이 어떻게 저 말이 안되는 상황을 설명하셨는지 알아보자

 

19세기 과학자들은 당시 '흑체복사'라는 문제때문에 골머리를 앓고 있었어

먼저 유게이들도 우리가 물체를 볼 수 있는 것은

1. 물체가 빛을 방출하거나

2. 물체가 빛을 반사하거나

이 두 가지 이유때문임을 알고있지?

근데 이 흑체라는 놈이 뭐냐면 외부에서 오는 빛은 모두 흡수하고 반사하지 않는 물질이야

2번경우가 없으니 흑체는 빛을 스스로 내뿜어서 빛을 내는거지

19세기 과학자들은 바로 이 흑체가 내는 빛의 파장과 세기가 물체의 온도에따라 어떻게 달라지는지 설명하려고 노력했어

별을 예로 들어보면 빨간색 별이 파란색 별보다 온도가 낮아

이 얘기는 바로 온도가 낮을 때는 빨간 빛의 세기가 강하지만 온도가 높아지면 파란 빛의 세기가 강해진다는 뜻이지

그러니까 정리하자면 흑체복사의 문제란 물체의 온도에 따라 왜 다른 색깔의 빛이 나오는지를 설명하는 문제였어

 이분은 이 흑체복사의 문제를 고전물리학을 통해 설명하려다 실패한 수많은 과학자 중 한 분이신 빈이라는 과학자야

 여기서 저 색깔있는 그래프는 현실에서 온도에 따라 다르게 나오는 빛의 색깔을 나타낸 것이고

저기 오른쪽에 혼자서 우뚝 서있는 검은색 그래프가 바로 고전물리학에서의 결론이야

고전물리학으로는 이 흑체복사를 설명하지 못한다는거지

바로 이 흑체복사를 설명한 이론이 위에 나온 막스 플랑크의 '에너지 양자화 가설'이야

 에너지 양자화 가설에서는 에너지가 가장 왼쪽의 그래프와 같이 불연속적으로 뚝뚝 끊어지면서 에너지가 증가해

플랑크는 에너지가 알갱이처럼 끊어져서 증가한다는 가설을 제시해 이 흑체복사의 문제를 성공적으로 해결했지

사실 나도 이걸 이렇게 대충 설명하지않고 수식으로 증명하는걸 보여주고 싶은데 조온나 복잡해서 이렇게밖에 설명못하겠어ㅠ

 

하여튼 플랑크는 이렇게 에너지 양자화 가설을 제안해 흑체복사의 문제를 성공적으로 해결했어

근데 증거는 어딨는데? 설명이 잘 된다고해서 그게 다 사실인거는 아니잖아?

 

이 에너지 양자화 가설을 증명한건 우리 모두가 잘 아는 천재 과학자 아인슈타인이야

 아인슈타인은 광전효과라는 아주 놀라운 사실을 발견하고 이를 설명해서 노벨상을 받았어

광전효과는 자세히 다루면 너무 길어지니까 아주 간략하게만 얘기할게(여기서부터 좀 어려울거야)

 이 사진이 광전효과를 설명하는 사진이야

먼저 오른쪽에서 들어온 빛이 금속에 닿아.

그러면 금속에서 저 빨간색으로 그려진 전자가 튀어나오는 아주 간단한 내용이지

근데 이 광전효과가 어떻게 에너지가 양자화되어있다는걸 증명하는 증거가 된걸까?

 

빛이 금속에 부딪쳤더니 전자가 나왔다는 부분에 주목해보자

이과생들은 들어봤겠지만 세상은 크게 '파동'과 '입자'로 이루어져있어

아인슈타인이 광전효과를 발표하기전까지는 빛이 그저 파동, 즉 에너지의 움직임인줄로만 알았지

근데 빛이 그냥 에너지의 움직임이라면, 금속에 부딪쳤을때 전자를 파서 빼낼 수가 없지

그런데 만약 빛이 입자로 되어있다면, 빛 알갱이들이 금속에 부딪쳐서 빛 알갱이가 금속에서 전자를 파내고, 이 전자가 튀어나오는거라고 설명할 수 있어

 따라서 아인슈타인은 빛이, 즉 빛 에너지가 알갱이처럼 '양자화'되어있다는걸 증명한거야

 

근데 빛이 알갱이로 되어있다는걸 증명했다고 해서 빛이 가지는 파동의 성질(간섭, 회절, 편광 등)이 사라지는건 아니지

그러니까 빛은 특이하게 입자와 파동의 성질을 둘다 갖고 있는거야

이걸 빛의 이중성이라고 해

근데 상식적으로 입자면 입자고 파동이면 파동이지 두 개 다 된다는게 말이나 돼?

여기서 내가 1편에서 상식이 통하지 않는다는 말을 했던 이유가 나오는거야

양자역학을 이해하려면 먼저 상식이 통하지 않는 세계라는 전제를 받아들여야돼

 

일단 2편에서는 "1.양자화되어있는 물리량을" 이부분을 설명했어

3편에서는 "2.파동함수를 이용하여 다루고" 이 부분을 설명할게

근데 2번은 좀 더 어려워지니까 쉽게 잘 설명할 수 있을지 걱정되네ㅠ

 

 

내가 잘못 설명한 부분이 있다면 지나가는 자연대생 유게이가 지적해줘