빛의 이중성

[유토피아]

 

빛의 정체에 대한 논의는 아주 오래전부터 계속되었다. 위의 '역사'부분에서도 언급하였듯 고대의 데모크리토스, 아리스토텔레스부터 르네 데카르트, 아이작 뉴턴, 크리스티안 하위헌스, 토머스 영, 제임스 클러크 맥스웰, 하인리히 루돌프 헤르츠, 알베르트 아인슈타인에 이르기까지 많은 과학자들이 빛의 정체에 대해 논쟁하였고, 현재는 빛이 입자적 성질과 파동적 성질을 모두 가지고 있다고 설명한다.

아인슈타인은 광자의 에너지가 광자의 진동수에 비례함을 보였다. 즉, 입자적 성질을 가진 광자가 파동이 가지는 성질인 진동수를 동시에 표현하였다.

이중 슬릿 실험

이 부분의 본문은 이중 슬릿 실험입니다.

단일 슬릿 실험 결과와 이중 슬릿 실험 결과

이중 슬릿 실험은 토머스 영이 한 실험으로 빛의 간섭무늬를 관찰하여 빛의 파동설을 강력하게 뒷받침한 실험이다. 이후 이 실험은 빛 뿐 아니라 일반적인 물질(전자 등)들로도 행해졌다. 실험에 대해 간단히 설명하겠다.

이중 슬릿 실험

1 단일 슬릿

1. 단일 슬릿(하나의 구멍이 있는 판)에 빛을 쏘아보낸다. 스크린에 관찰된 무늬는 가운데는 밝고 점차 옆으로 퍼지면서 흐려지는 모양이다. 이것은 빛의 입자설로도, 파동설로도 모두 설명할 수 있다

2 이중 슬릿

1. 이중 슬릿(판에 얇고 긴 구멍이 두 개 있는 구조)에 빛을 쏘아보낸다. 일반적인 생각으로는 두 개의 슬릿에 빛을 통과시킨다면 스크린에는 두 개의 단일 슬릿패턴이 합쳐진 모양이 관측될 것으로 예상된다. 하지만 실험 결과 스크린에 나타난 모양은 예상(단일 슬릿 실험시 관측된 패턴의 합)보다 더 넓을 뿐 아니라 밝은 부분과 어두운 부분이 번갈아서 나온다. 이는 빛을 입자로 생각하면 설명이 까다로웠으나,빛을 파동으로 보고 그에 따라 간섭무늬를 나타낸다고 할 때에는 쉽게 설명이 되었다. 즉 밝은 부분은 보강간섭을, 어두운 부분은 상쇄간섭을 한다고 생각하면 간단히 설명이 되었다.
2. 이중 슬릿에 아주 약한 빛을 쏘아 보낸다. 그러면 스크린에는 빛의 위치가 점과 같이 하나씩 표시가 된다. (빛의 입자성을 보여주는 듯 함) 이 과정을 계속하면 처음에는 스크린에 점으로 관찰되다가 오랜 시간이 지나면 전체 형태가 파동의 간섭무늬와 같아진다. 이 현상을 설명하기 위해 사람들은 빛이 스스로와 간섭을 한다는 이상한 결론을 내렸다.^[3]
3. 위의 2-2 실험을, 각 슬릿 옆에 관측기를 설치하여 매번 빛이 어느 슬릿을 통과했는지 관찰하게되면 결과는 달라진다. 처음에는 점과 같이 스크린에 표시가 되지만 이후 그 점들을 모두 모으면 앞의 2-2의 결과와는 다르게 거시적으로 간섭무늬를 관찰할 수 없게 된다.

다시 한번 정리해보겠다. 2-1의 결과를 입자설로 설명을 하자면 처음에 스크린에 점과 같은 모양이 나오는 것은 당연한 것이며, 여러 입자가 동시에 두 슬릿을 통과하면서 서로 충돌하는데 그 경로가 스크린에 파동의 간섭무늬와 같은 모양을 나타내도록 충돌하는 것이라고 말할 수 있다. 같은 결과를 파동설로 설명을 하자면, 파동의 간섭무늬가 나온 것은 당연한 이야기이고, 처음에 점으로 표시되는 현상은 가는 파동이 아주 얇은 슬릿을 통과하기때문에 마치 점처럼 스크린에 나타났다고 설명할 수 있다. 하지만 2-2,2-3은 입자설로도, 파동설로도 설명하기가 어렵다. 왜냐하면 '하나씩' 보냈기 때문에 간섭을 할 수가 없는데 결론은 간섭을 한 것과 같기 때문이다. 그래서 사람들은 빛은 스스로 간섭을 한다는 이상한 결론을 내렸고, 빛은 누군가에게 관측당하면(2-3) 스스로 간섭하던 것을 멈추고 입자와 같이 행동을 한다는 한층 더 이상한 결론을 내렸다. (물질의 이중성 중 코펜하겐 해석 참조)

광전효과

이 부분의 본문은 광전 효과입니다.

광전효과에 대한 간단한 모식도

광전효과란 빛을 금속 등의 물질에 비추어주었을 때 전자가 튀어나오는 현상이다.

‘빛의 파동설’에 따라 광전효과의 결과를 예측해보면, 빛은 파동이므로 빛의 파장이 짧아질수록(즉 빨간색 빛에서 보라색 빛으로 갈수록) 에너지가 커진다. 또한 파동은 중첩 이 되므로 긴 파장의 빛이라도 빛의 세기(빛의 양)만 크게 해주어도 에너지가 커질 것이다. 이처럼 빛의 에너지가 큰 경우에는 빛을 비춰줬을 때 튀어나오는 전자의 갯수도 더 많고 전자의 운동에너지 역시 더 클 것이다.

하지만 광전효과의 실험 결과는 파동설의 예측과는 달랐다. 물론 짧은 파장(혹은 보라색)의 빛을 비추어주었을 때에는 전자가 큰 운동 에너지를 가지고 튀어나왔다. 하지만 보라색 빛이라도 튀어나오는 전자의 개수가 많지는 않았다. 즉 파장과 튀어나오는 전자의 개수는 무관했다. 그리고 만약 빛이 파동이라면 비록 긴 파장의 빨간 빛이라도 세게 비추어주기만한다면 중첩 될 수 있기 때문에 충분히 에너지가 커져 빛에 의해 전자가 튀어나와야했다. 하지만 긴 파장(혹은 빨간색)의 빛을 강하게 비추어줬을 때에는 전자가 튀어나오지 않았다. 이는 마치 전자를 튀어나올 수 있게 하는 한계 파장(혹은 에너지)가 존재하는 듯한 양상이었다. 그리고 같은 파장의 빛을 비추어주면 빛의 세기에 따라 튀어나오는 전자의 개수는 달랐지만 튀어나오는 전자의 운동에너지는 같았다. 즉 빛에 의해 튀어나오는 광전자(photoelectron)의 운동에너지는 오직 빛의 파장에만 관계가 있었다. 또한 튀어나오는 총 전자의 수는 (한계 파장, 혹은 에너지 이상의) 빛의 세기에만 관계가 있었다.

빛의 파동설로 광전효과를 설명하기에는 앞에서 말했듯이 한계가 있다. 이를 설명하기위해 아인슈타인(Albert Einstein)은 플랑크(Max Karl Ernst Ludwig Planck)의 양자 가설을 빛을 바라보는 관점에 도입, 빛을 입자로 생각하였다. 후에 아인슈타인은 이로 인해 노벨 물리학상을 받았다. 아인슈타인에 의하면 위의 현상은 다음과 같이 설명된다. 빨간 빛은 에너지가 작은 입자들이 모인 것이고, 보라색 빛은 에너지가 큰 입자들이 모인 것이라고 생각하자. 빨간 빛의 경우, 각각의 빛 알갱이(혹은 입자)들의 에너지가 작으므로 아무리 많은 양의 빛 입자들을 전자에 쏘아주더라도 전자는 결합을 끊고 나가기에 충분한 에너지를 얻지 못하므로 금속에서 전자가 방출되지 못한다. 하지만 보라색 빛은 전체 빛의 세기가 약하더라도 각각의 빛 알갱이들이 큰 에너지를 갖고 전자에 충돌하기 때문에 전자를 금속에서 빠져나올 수 있게 할 뿐 아니라 빠져나온 전자는 큰 운동 에너지를 가지게 되는 것이다. 물론 강한 보라색 빛, 즉 큰 에너지를 가진 빛 알갱이들을 많이 비춰주면 당연히 많은 전자들이 크고 동일한 운동 에너지를 가지고 방출될것이다.

아인슈타인의 광전효과를 간단히 정리하자면, 빛은 광자라는 알갱이로 이루어져있으며, 이 광자 하나하나가 가지는 에너지가 클수록 충돌하여 빠져나오는 전자의 에너지가 크다는 것이다.