[양자역학] 1. 양자역학의 기원 (2) - 파동-입자 이중성

이전 글에서 양자역학이 태어날 수 밖에 없었던 이유 중 에너지 양자화 가설을 살펴보았습니다. 이번 글에서는 나머지 하나인 파동-입자 이중성(wave-particle duality)에 대해 알아봅시다.
 
 
 
■ 빛의 파동성
전자기학의 맥스웰 방정식(1865)에 따르면, 빛은 파동으로 계산됩니다. 토마스 영(1773~1829)의 이중슬릿 실험은 빛이 파동임을 선명하게 보여주었습니다. 따라서 과학자들은 빛이 입자가 아닌 파동이라고 생각해왔습니다. 토마스 영(1773~1829)의 이중슬릿 실험은 빛이 파동임을 더 명확하게 나타내었습니다. 
 
그런데 1887년, 물리학자 하인리히 헤르츠가 광전효과를 발견합니다. 광전효과는 자외선 복사선에 노출된 금속으로부터 전자가 방출되는 현상을 말합니다. 이러한 광전효과의 특징은 다음과 같습니다.
 
1. 쪼여진 복사선의 세기에 상관없이 그 진동수가 금속의 특성인 어떤 문턱값을 넘지 않는다면 전자는 방출되지 않았습니다.
2. 방출된 전자들의 운동에너지는 쪼여진 복사선의 진동수에 선형적으로 증가하나, 그 복사선의 세기와는 무관했습니다.
3. 복사선의 세기가 낮아도 그 진동수가 해당 문턱값 이상이기만 하면 전자들은 즉시 방출되었습니다.
 

이 문제는 1905년에 아인슈타인이 '빛은 입자이다'라는 가설을 적용하여 해결하게 됩니다.

자외선 복사선의 에너지를 hν라고 하고 나온 전자의 운동에너지가 Ek라고 해봅시다. 그러면 금속에서 전자 하나를 떼어 내는 데 필요한 일함수를 W라고 하면,
 
hν = Ek + W
 
라는 관계식을 만족합니다.
 
이는 실험 결과를 매우 잘 설명합니다.
 
1. 만일 hν<W라면, 광자의 에너지가 불충분해 광방출이 일어날 수 없습니다.
2. 방출된 전자의 운동에너지는 광자의 진동수에 따라 선형적으로 늘어납니다.
3. 광자와 전자가 충돌하는 순간에 광자 에너지가 모두 전달되므로, 광자 에너지가 충분하기만 하면 충돌하자마자 전자가 나옵니다.
 
이후에도 콤프턴 산란 등의 현상이 보고되며 빛이 입자성을 가짐이 매우 확실해졌습니다.

빛의 입자성을 입증한 공로로 아인슈타인은 1921년, 콤프턴은 1927년에 각각 노벨물리학상을 수상합니다.

그러나 영의 실험에서 전자 탐지기를 켜면 전자는 입자처럼, 전자 탐지기를 끄면 전자는 파동처럼 움직이는 현상으로 인해 빛이 파동성을 가진다는 것도 부인할 수 없게 되었습니다.

이에 따라 빛은 파동성과 입자성을 동시에 가질 수 있음이 확실시되었습니다.
 
 
■ 입자의 파동성
1924년, 드 브로이는 선운동량 p=mv로 움직이는 모든 입자는, λ=h/p에 의해 주어진, 어떤 의미에서의 파장을 가져야 한다고 제안했습니다.
 
1927년, 데이비슨과 거머는 결정구조에 의해 전자가 회절되는 것을 관측하였습니다. 니켈 결정에 의한 전자빔의 산란은 파동이 방향에 따라 보강 및 상쇄 간섭하는 회절 실험의 세기 특성을 보인 것입니다. 전자에 대한 이러한 실험은 이후에 알파입자, 수소 분자, 중성자 등 다른 입자들에서도 재현되었습니다. 그리고 거의 같은 시기에, 전자를 발견한 조지프 존 톰슨의 아들 조지 패짓 톰슨은 전자빔이 얇은 금 박막을 투과할 때 회절됨을 보였습니다.
 
이 실험을 통해 입자가 파동의 성질을 가짐이 확실시되었습니다.

물질의 파동성을 입증한 공로로 드 브로이는 1928년, 데이비스와 톰슨은 1937년에 노벨 물리학상을 수상합니다.


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이러한 실험 결과들을 통해, 입자는 파동의 성질을 띠고, 파동은 입자의 성질을 띤다는 것이 확실시되었습니다.
 
이렇게 에너지의 양자화, 그리고 파동-입자 이중성이라는 양자역학의 두 축이 완성되었습니다.
 
이 두 축이 놓이자, 양자역학이 본격적으로 태동하기 시작합니다.


참고문헌
Peter Atkins, 양민호 역, Physical Chemistry twelveth edition, 사이플러스, 2024, p273-275