예전부터 많은 사람들이 빛의 본질에 대해서 얘기했었다. 빛은 입자인가, 아니면 파동인가에 대해서 많은 의견들이 있었으나 19세기에 이르러서는 '빛은 파동이다' 라고 생각했다. 하지만, 광전효과나 Compton효과 처럼 설명할 수 없는 현상들이 일어났다.
입자일 경우 설명할 수 있는가
파동일 경우 설명할 수 있는가
직진, 반사, 굴절
O
O
회절, 간섭
X
O
편광
X
O
광전 효과
O
X
Compton 효과
O
X
위와 같이 빛이 입자라고 말할 수도 없고 파동이라고 말할 수 없어서, 결국 사람들은 빛의 '파동-입자의 이중성(Wave-Particle Duality) 이라고 했다. 그렇다면 파동인 빛이 입자성을 가지고 있다면, 입자도 파동성을 가지고 있을 것이라 드 브로이Louis de Brogile가 예상을 하였고, 그 예측이 맞아 1929년 노벨 물리학상을 수상하게 된다. 다음을 클릭하면 1929년 노벨 물리학상 연설문을 볼 수 있다.
1929년 노벨 물리학상 연설문" less="접기">
전자의 파동 성질 발견 - 1929년 노벨 물리학상
루이 드 브로이, Louis de Broglie
전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
빛의 성질은 가장 오래된 물리학 문제 중의 하나입니다. 고대 철학자들은 이 현상을 근본적으로 다른 두 종류의 개념으로 설명하였습니다. 물리학의 토대가 생겨나던 시대, 즉 천재 뉴턴이 등정하던 시기에는 두 개념이 확실하고 명확한 형태로 발전되었습니다. 두 이론 중의 하나의 이론에 따르면 빛은 물질이 외부로 방출한 미립자라고 설명합니다. 다른 이론은 빛은 파동이라고 합니다. 이렇게 두 이론이 공존 가능했던 이유는 빛의 전파 법칙, 즉 빛이 구부러지지 않고 직선으로 퍼져나가는 현상을 잘 설명했기 때문입니다.
19세기는 빛의 파동이론이 승리했습니다. 그 시기에 연구를 시작한 모든 사람들은 빛이 파동이라는 것을 확실하게 배웠습니다. 빛을 파동으로 간주한 이유는 파동이론으로는 아주 잘 설명이 되지만 입자이론으로는 설명이 되지 않는 일련의 현상들 때문입니다. 대표적인 현상 중의 하나가 빛이 통과하지 않는 막에 뚫린 작은 구멍을 빛이 통과할 때 나타나는 회절현상입니다. 빛의 회절로 밝고 어두운 선이 교대로 나타납니다. 이 현상은 오랫동안 파동이론을 증명하는 결정적인 근거였습니다. 더욱이 19세기에 빛에 관한 더 복잡한 현상들이 많이 알려졌고 그 현상들은 모두 예외 없이 입자이론으로는 설명하기가 불가능한 반면 파동이론으로는 완벽하게 설명되었습니다. 이제 빛의 파동이론은 명확하게 성립되는 것처럼 보였습니다.
19세기는 또한 원자의 개념이 물리학에 뿌리를 내린 시기이기도 했습니다. 19세기 말에 이루어진 위대한 발견들 중 하나는 자유 상태에서 발생하는 음극을 띠는 가장 작은 전기 단위인 전자의 발견입니다.
이러한 두 가지 흐름의 영향 아래 19세기 물리학이 우주를 설명하는 방법은 다음과 같습니다. 우주는 두 개의 세계로 나누어집니다. 하나는 빛, 즉 파동으로 이루어진 세계이고, 다른 하나는 물질, 즉 원자와 전자들로 이루어진 세계입니다. 이러한 두 세계가 교류함으로써 우리는 우주를 지각할 수 있습니다.
20세기에 들어서면서 우리는 빛이 파동이라는 것을 증명하는 많은 현상과 함께 빛은 입자라는 것을 증명하는 다른 현상들도 많이 있다는 것을 알게 되었습니다. 어떤 물질에 빛을 쪼이면 물질에서는 전자의 흐름이 생겨납니다. 이때 방출되는 전자의 수는 빛의 강도에 따라 다릅니다. 그렇지만 전자가 물질을 떠나는 속도는 항상 동일합니다. 이 경우 빛은 마치 변경되지 않은 우주 공간을 가로질러 온 작은 입자로 되어 있는 것처럼 보입니다. 따라서 빛은 파동인 동시에 입자들의 흐름이기도 합니다. 빛의 속성들 가운데 일부는 파동으로, 다른 일부는 입자로 설명됩니다. 그리고 두 가지 모두 사실입니다.
루이 드 브로이 교수는 대담하게도 물질의 모든 속성들이 입자론으로 설명될 수 없다고 주장하였습니다. 드 브로이 교수는 물질의 많은 현상들이 입자론으로 설명할 수 있지만 어떤 경우 파동으로 간주해야만 설명이 가능한 현상도 있다는 것입니다. 이 이론을 뒷받침해 주는 어떤 실험 결과도 보고되지 않았던 그 당시 루이 드 브로이 교수는 불투명한 막 속에 있는 아주 작은 구멍(슬릿)을 통과하는 전자들의 흐름은 동일한 조건에 있는 빛과 똑같은 현상을 보일 것으로 단언했습니다. 그렇지만 전자가 파동의 성질을 가진다는 것을 증명하기 위한 실험은 본인이 제안한 방식으로 진행되지는 않았습니다. 대신 전자빔들이 결정표면에 반사될 때 또는 얇은 막sheet들을 관통할 때 일어나는 현상 등으로 전자의 파동성을 증명할 수 있었습니다. 다양한 방법으로 얻은 실험 결과는 드 브로이 교수의 이론을 뒷받침하고 있습니다. 이제 물질은 파동의 성질이 있다고 가정해야만 설명할 수 있는 성질이 있다는 것이 사실로 드러났습니다. 완벽하게 새로운, 예전에는 의심했던 물질이 가진 성질의 한 측면이 이렇게 해서 드러나게 되었습니다.
빛과 파동으로 이루어지고 물질과 입자들로 이루어진 두 개의 세계가 존재하는 것이 아닙니다. 오로지 하나의 우주만이 존재합니다. 그것의 속성들 중 일부는 파동이론으로 섦여되고 다른 일부는 입자이론으로 설명되는 것입니다.
결론적으로 물질에 적용되는 것은 우리 자신에게도 적용된다는 것을 지적하고 싶습니다. 왜냐하면 우리 몸도 물질로 이루어져 있기 때문입니다.
스웨덴의 유명한 시인은 시의 도입부에서 '내 삶은 파도다'라고 했습니다. 시인은 또한 그의 생각을 이러한 말로 표현하기도 했습니다. '나는 파도다' 많일 시인이 의도적으로 이야기 했다면 그의 시구는 물질의 성질에 대한 인간의 가장 심오한 예지를 담고 있는 것입니다.
루이 드 브로이 교수님.
교수님은 젊은 나이에 물리학에서 가장 심오한 문제를 둘러싸고 일어난 논쟁에 참여했습니다. 교수님은 어떠한 실험의 뒷받침없이 대담하게도 물질은 입자의 성질뿐만 아니라 파동의 성질도 가진다는 것을 단언하였습니다. 나중에 실험으로 교수님의 주장이 맞다는 것이 증명되었습니다. 교수님은 이미 물리학 명예의 전당에 오르셨습니다.
스웨덴 왕립과학원은 교수님의 발견에 대해 우리가 할 수 있는 가장 높은 보상으로써 보답하고자 합니다. 이제 전하로부터 직접 1929년 노벨상을 수상하시기 바랍니다.
스웨덴 왕립과학원 노벨 물리학 위원회 위원장 C.W.오젠
<당신에게 노벨상을 수여합니다|노벨 물리학상|, 노벨 재단 엮음, 이광렬·이승철 옮김>
Louis de Brogile는 다음과 같은 식을 제안했다.
먼저 입자에 관한 대표적 식이 Einstein이 세운 와 Planck가 만든 파동에 적용되는 식인 을 같다놓고 풀면 다음과 같이 된다.
플랑크의 식을 다음과 같이 바꾸고, 가 된다. 따라서 파장은,
그리고 파동은 광속이지만, 입자에 대해 일반화하면 속도를 c에서 v로 바꾸어 쓴다.
무게가 m이고 속도가 v인 입자의 파장은 운동량을 플랑크 상수로 나눠준 것이고, 이 파장을 de Brogile wavelength 라고 한다.
드브로이의 식이 맞는지 검증을 Bragg 부자가 했는데, 만약 입자가 파동성을 가지고 있다면 파동으로만 설명할 수 있는 회절 현상이 일어나야 한다.
먼저, X선의 회절무늬는 다음 그림과 같다.
[그림 1. X선 회절무늬]
위의 그림에 해당하는 파장에 맞추어 전자의 속도를 계산해서 회절무늬가 나오는지 실험을 하였더니 다음과 같이 되었다.
[그림 2. 전자의 회절무늬]
h의 값을 보면 으로 매우 작은 값이다. 그래서 거시적 세계(macroscopic world) 에서는 질량(m) 자체가 너무 커서 파장이 매우 짧아져 파동성이 무시되는 것이고, 전자와 같이 미시적 세계(microscopic world)에서는 질량도 작아 파장을 무시할 수 없는 값이 되어 파동성이 중요해진다.
전자를 처음부터 파동으로 놓고 생각한다면, 원자핵 주위를 도는 전자는 왼쪽 그림처럼 정상파가 되어야할 것이다.
[그림 3. 전자를 파동이라 생각하고 그렸을때의 원자모형]
만약, 정상파가 아니라면 오른쪽 그림과 같이 되고, 전자는 안정적으로 원자핵 주위를 회전할 수 없게 된다. 따라서, 전자가 회전하는 원주의 길이가 파장의 정수배가 되어야 한다. 따라서 드브로이 식에 적용을 하면,
가 되는데, 이식을 수정하면
위의 식이 된다. 그런데 이 식은 Bohr가 가정 했던 내용으로, 드브로이의 식에 의해 더이상 '가정'이 아니게 된다.
(관련 내용 Link)
이처럼 전자와 같이 미시입자들의 파동성이 중요해져서 처음부터 미시입자를 파동으로 생각해서 발전하게 된 것이 양자 역학, Quantum Mechanics이다. 이 분야를 개척한 사람이 크게 두명이 있는데 한명은 Schrodinger로, 슈뢰딩거는 미분방정식으로 전자의 움직임을 해석했는데 이것을 Wave Mechnics, 파동역학 이라한다. 또 한명은 Heisenberg로, 하이젠버그는 행렬으로 해석했는데 이것을 Matrix Mechnics, 행렬 역학이라 한다.
