3. 양자역학? 양자가 뭐야? -1) 양자론의 역사

 안녕하세요, 반연입니다.

 

 지난 시간에 설명드렸듯이 반도체를 공부하기 위해서는 양자역학에 대한 기본적인 내용을 숙지해야합니다.

양자역학에서 양자는 무엇일까요?

 언어로만 보면 한자로 量子(헤아릴 양, 아들 자), 영어로는 quantum 이라고 해요.

음.. 이것만으로는 무엇인지 정확히 와닿지 않을 거에요.. 그래도 어렴풋이 한자 해석을 보면 헤아린다는 의미가 있으니 뭔가 수를 나타내는 표현 같은 느낌이 들죠?

 그 정도 느낌을 가지고 이번 장 양자론의 역사에 대한 이야기를 들어봅시다!

 

• 양자의 생일

양자라는 용어는 1900년 12월 즉, 19세기 말에 처음으로 등장했습니다. 

 

 1900년 12월 베를린 물리학회의 크리스마스 파티에서 독일의 물리학자인 막스 플랑크가 '에너지 양자가설'이라는 이론을 발표하며 양자라는 용어가 학계에 쓰이게 돼요. 

 이렇게 등장한 양자가 20세기 기술발전을 주도하리라고는 그 당시에 상상조차 하지 못했죠.

 

 

• 호이겐스의 고민

 양자론이 왜 대두되었을까요? 양자론이 없던 시대에 과학자들은 빛을 연구하면서 많은 문제에 부딪힙니다.

양자론이 존재하지 않았던 시대에는 그 유명한 영국의 뉴턴에 의한 이론이 물리학계를 지배하고 있었어요.

뉴턴의 만유인력의 법칙, 운동방정식 등은 우리가 볼 수 있는 거의 모든 물체에 대해 적용이 가능했습니다.

 17 세기 당시에는 당연히 빛도 입자라고 생각했습니다. 사실 그럴 것이 빛에 비춘 물체에 그림자가 생기는 데 이러한 그림자는 빛의 입자론을 뒷받침하는 명백한 증거였거든요.

그런데 시간이 지날 수록 과학자들은 빛이 입자가 아니라 파동의 성질을 지닌다는 것을 실험을 통해 알아가게 됩니다. 

 

 이러한 문제를 처음 제기한 것은 호이겐스라는 과학자였어요.

 호이겐스는 빛이 입자라면 한 곳에 두 빛을 쏘면 입자가 부딪혀 튕겨나가면서 가운데 부분에 빛이 안비출 것이라고 예상했는데 그게 아니라 빛이 겹쳐지며 가운데 부분이 더 밝은 결과가 나왔거든요 (Fig1. 참고해주세요).

 이건 아주 전형적인 파동의 특징이에요.

 이야기를 좀 더 이어가기전에 아래 Fig2.을 보면서 아주 기초적인 파동의 용어에 대해 간단히 알아보고 넘어갈까요?

 

 

Fig 1. 빛은 입자인가 파동인가

 

Fig 2. 파동에서 사용되는 용어

 

 자. 이렇게 호이겐스는 빛이 파동이란 것을 알아냈습니다. 그런데 해결해야할 문제가 남았죠.

바로 '그림자는 왜 생기는가' 입니다. 물은 파동 운동을 하는 대표적인 물질입니다. 물 위에 막대기를 세워두고 파동을 주면 막대기 뒤쪽에도 파형이 생기게 되는건 다들 아시죠? 이 때문에 파동 성질을 갖는 물질은 그림자를 만들 수 없다고 생각한 것이죠. 그리고 고민에 고민을 한 후 파동으로도 그림자가 생길 수 있는 현상을 찾아냅니다.

 막대기나 작은 물체가 아니라 배나 거대한 물체 뒤편에는 파동이 도달하지 않거든요.

즉, 파장이 물체보다 현저히 작은 파동 에너지는 물체를 통과하지 못하고 차단된다는 결론을 내립니다.

 빛은 파동이며, 빛의 파장은 매우 작기 때문에 우리가 볼 수 있는 물체에는 빛이 차단되어 그림자가 생긴다 라는 이야기인 셈이죠.

 

• 영의 간섭 실험 (이중 슬릿)

 하지만 그 후에도 약 2세기에 걸쳐 빛이 입자인지 파동인지에 대한 논의는 많은 과학자들 사이에서 계속해서 다루어집니다.

 19세기 초 까지도 여전히 빛의 입자설이 학계의 정설이었죠.

 19세기 초 영국의 물리학자 영이 빛의 간섭(Fig 3. 이중 슬릿 실험)이라는 현상을 발견하기 전까지 말이죠. 영의 이중 슬릿 실험을 통해 빛의 파동설에 힘이 실리게 됩니다. 간섭이라는 성질은 파동이 가질 수 있는 대표적인 성질이거든요.

 이후 영국의 물리학자 맥스웰이 빛도 전자기파(전자파와 자기파)의 한 종류일 것이라는 가설을 세우게 되는데 이러한 가설의 이유는 전자파의 속도를 계산한 결과가 빛의 속도와 일치했기 때문이빈다.

그리고 이러한 가설은 1888년 독일의 물리학자 헤르츠에 의해 증명되죠.

Fig 3. 영의 이중슬릿 실험, http://igoindol.net/siteagent/100.daum.net/encyclopedia/print/24XXXXX46017

 

• 용광로의 온도를 알기 위한 실험에서 양자론이 탄생했다

 철을 달구면 색이 빨갛게 달아오르는 사진이나 영상을 본 적 있으시죠? 19세기 유럽에서는 제철업이 발전했습니다.

 품질 높은 철을 만들기 위해서는 용광로 내의 철의 온도를 정확하게 측정할 방법이 필요했죠. 하지만 수천 도 까지 온도가 올라가는 용광로의 온도를 측정할 방법이 당시에는 없었고 대부분의 숙련공들이 달궈진 철의 색을 보면서 용광로 내부의 온도를 가늠했습니다. 하지만 이과생으로 봤을 때 이런 주관적인 기준은 너무 불편하지 않나요? 저만그런가요? 무튼 당대 과학자들도 이러한 주관적인 판단이 심히 불편했나봅니다. 숙련공의 경험에만 의존하기엔 정확한 용광로 온도를 모르기 때문에 색에 따라 객관적인 온도 수치를 내려고 했죠.  

그러한 과학자 중 한 명이 앞서 에너지 양자가설로 언급드렸던 막스 플랑크 였습니다.

 

철의 제련, 롯데정밀화학 공식블로그, https://www.finelfc.com/410

 

 열을 내는 물체에서 나오는 빛의 스펙트럼을 연구하여 용광로 내부의 온도를 알아내려 한 실험이죠.

 이 연구를 위해서는 검은색 물질이 필요했습니다. 이유는 색이 있는 물질에 열을 가하면 자신의 색에 따라 특유한 파장의 빛을 내거나 특정 파장을 흡수해 버렸거든요.

반면, 검정색 물질의 경우에는 온도에 의해서만 빛이 방출되는 것이 확인되었습니다.

그래서 이 연구를 흑체 방사, 흑체 복사(black body radiation)라고 불렀죠.

 

 용광로의 온도를 알려고 시작했던 흑체 복사 실험에서 양자에 대한 이야기가 나오게 되는데 과연 이 실험에서 플랑크는 무엇을 발견한 걸까요?

 흥미진진한 물리학 이야기가 계속 이어지네요. 궁금한 내용 같이 고민할 내용은 언제든 댓글 달아주시면 감사하겠습니다.

 

그럼 다음에 또 봐요!