빛과 물질의 상호작용

[뽀야]

우주만물의 근원인 빛은 우주만물과  3가지의  상호작용합니다.

즉  첫째 쌍소멸과 쌍생성

     둘째로 광전효과,

     세째로   빛의 산란입니다. 이 모두를 일명 콤프턴산란Thomson scattering이라고도 합니다.

빛이 물질과 상호작용함으로서 우주만물운동이 이루어진다고 할 수가 있습니다.

높은 에너지 현상  쌍생성 

낮은 에너지 현상 광전 효과

중간 에너지 현상 콤프턴 산란

 아래와같이  파인만의 도형으로 모형화됩니다.

파인먼 도형

파인만 도형 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

s-channel

u-channel

                                                                         빛-물질 상호작용

1.  쌍소멸과 쌍 생성

우주에는 물질 외에도 반물질이 있습니다. 물질과 질량은 같지만 전하가 다르죠.

예를들면 전자의 반물질인 양전자는 양의 전하를 갖고 있으며, 양성자의 반물질인 반양성자는

음의 전하를 갖고 있습니다. 기본 입자인 쿼크의 반물질은 반쿼크를 말하죠.

온도가 매우 높은 상태에서는 물질과 반물질이 충돌하여 소멸하고 두 가닥의 빛으로 바뀌는

쌍소멸 반응과 두 가닥의 빛이 충돌하여 물질과 반물질로 바뀌는 쌍생성 반응이 쉽게 일어납니다.

빅뱅 초기에는 이런 반응이 무수하게 일어났기 때문에 빛과 반물질의 구분이 명확치 않았습니다.

쌍소멸 반응은 자유롭게 일어나는 반면, 쌍생성 반응이 일어나기 위해서는 빛이 가진

에너지가 물질의 에너지보다 높아야하죠.

에너지가 높은 빛일수록 더 무거운 입자를 생성할 수 있고, 빛이 가진 에너지가 충분치 않다면

빛끼리 충돌하여 만들어진 입자는 가벼울 수 밖에 없게됩니다. 이러한 이유로 우주에서

무거운 입자 (양성자와 중성자)가 가벼운 입자(전자) 보다 먼저 만들어진 것 입니다.

일단 '화학변화가 일어날 때 원자는 새로 생기거나 없어지지 않는다.' 라고 하셨죠,,,

쿼크와 반쿼크가 만나서 쌍소멸 한다고도 하셨구요....

오류는 없습니다.

쿼크롸 반쿼크가 만나서 쌍소멸 하는 것은 물리학적인 변화이지 화학변화는 아니기 때문이죠,,

쿼크 뿐만 아니라 전자와 반전자가 만나서 이들도 쌍소멸을 합니다. 그리고 이때 매우 큰 에너지를 발생시키죠,,

이것과 관련된 소설이 하나 있죠? 다빈치코드 작가가 쓴 천사와 악마라는 소설이요....

이제 쌍소멸과 쌍생성에 대해서 설명을 드리자면,,,,,크게 두가지 방법이 있습니다.

하나는 디락의 홀 이론이 있고,,,,

다른 하나는 아마 파인만 다이아그램으로 설명하는 방법일텐데....

저는 디락의 홀 이론을 이용해서 설명을 드리겠습니다.

일단 디락이라는 사람은 진공이라는 상태를 '-'에너지를 가지는 전자들로 가득 찬 상태라고 정의하였습니다.

밑에 그림에서 동그라미들이 전자라고 합시다..모두 -에너지를 가지고 가득 찬 상태입니다.

이제 이 상태에 높은 에너지를 가해주면 전자 하나가 +에너지를 가지게 됩니다.

그럼 '+' 에너지를 가지는 전자가 하나 생기고 '-'에너지를 갖는 부분에는 진공과 비교해서

구멍(홀)이 하나 생기겠죠? 그것을 반전자라 하는 겁니다. 이렇게 해서 전자와 반전자가 쌍생성을 하는 것입니다.

또 전자는 낮은 에너지 상태에 있으려 하기 때문에 전자와 반전자(홀) 이 만나면 즉시 전자는 홀을 채우려고 합니다.

전자와 반전자가 사라지는 것이죠? 물론 이때 매우 큰 에너지가 발생합니다.

이러한 현상이 쌍소멸이 되는 것이죠.

현재 우리가 사는 우주에는 반전자(홀)보다 전자가 훨씬 많이 있다고 합니다.

측정 결과가 아니고,,,누군가가 제시한 현재의 우주가 생성되기 위한 조건입니다.

빅뱅 당시에는 수가 같았으나 그 후 어떠한 이유에 의해서 그 균형이 깨졌다고 가정하는 것이죠.

쿼크에 경우에도 쌍생성과 쌍소멸의 원리는 동일 합니다.

파인만 다이어그램에서는 반입자를 시간에 반대로 진행하는 입자로 보는데,,,

2. 광전효과 

광전 효과(光電效果, 영어: photoelectric effect)는 금속 등의 물질이 한계 진동수(문턱 진동수)보다 큰 진동수를 가진 (따라서 높은 에너지를 가진) 전자기파를 흡수했을 때 전자를 내보내는 현상이다.

이 때 방출되는 전자를 광전자라 하는데, 보통 전자와 성질이 다르지는 않지만 빛에 의해 방출되는 전자이기 때문에 붙여진 이름이다.

알베르트 아인슈타인이 이 현상을 빛의 입자성을 가정함으로써 설명하였으며, 그 공로로 1921년에 노벨 물리학상을 수상했다.

빛의 성질에 관한 논란 중 입자설에 대한 증거로 거론된다.

금속 판에서 전자의 방출을 도시한 그림, 들어오는 광자에서 얻어진 에너지가 물질의 일함수 이상 필요하다.

광자 방출 과정(photoemission process)에서, 어떤 물질 내의 전자가 일함수(work function) 이상의 광자 에너지를 흡수하면 빛이 방출된다.

광자의 에너지가 너무 낮으면, 전자는 물질을 벗어날 수 없다. 비춰지는 빛의 세기가 커지는 것은 광자의 수가 늘어난다는 뜻이므로 더 많은 수의 전자를 들뜨게 만들지만 각각의 전자가 가지는 에너지를 증가시키지는 않는다. 방출된 전자의 에너지는 쪼여주는 빛의 세기가 아니라 각각의 광자의 에너지 혹은 진동수에 영향을 받는다.

입사된 광자와 최외각 전자 사이의 상호 작용이다. 전자는 광자에 쬐였을 때 광자에게서 에너지를 흡수할 수 있으나, 대부분 전자들은 "1 혹은 0(흑백논리, all or nothing)"의 원리를 따른다.

한 광자의 모든 에너지는 원자적 결합에서 한 전자를 자유롭게 하는 데 쓰이고, 남은 에너지는 방출된다. 만약 광자 에너지가 흡수되면 에너지의 일부는 원자에게서 전자를 떼어내는 데 쓰이고 나머지는 자유 입자로서 전자의 운동 에너지에 기여한다.

태양 에너지 발전에 사용되는 솔라 셀과 포토다이오드는 다양한 광전 효과를 이용한다. 그러나, 전자를 방출하는 것을 이용하는 것은 아니다. 반도체에서는 가시 광선의 광자와 같이 상대적으로 낮은 에너지의 빛이 최외각 밴드의 전자를 더 높은 에너지의 전도띠 차낼 수 있으며 그곳에서 그들은 메여서 전류를 발생시키는데 밴드갭 에너지와 관련된 전압때문이다.

3. 콤프턴효과 (산란)

                   파장 λ의 광자가 왼쪽에서 들어와서 정지한 물체와 충돌한 후에, 파장 λ′인 새로운 광자가 각도 θ로 나타난다.

콤프턴 산란(Compton scattering)이란 X선이나 감마선의 파장을 가진 광자가 전자와 상호작용하여 에너지를 잃는 비탄성 산란 과정이다. 1923년 아서 콤프턴이 최초로 이론적으로 설명하였다.

콤프턴 산란 실험은 빛이 파동-입자 이중성을 따른다는 사실을 보여준다. 콤프턴 산란과는 반대로 광자가 에너지를 얻는 과정을 역 콤프턴 산란(inverse Compton scattering)이라 부른다.

20세기 초까지, 엑스선과 물질의 반응에 대한 연구가 진행되어 왔다. 특정 에너지의 엑스선 빔을 원자를 향해 쏘면, 엑스선은 원자 안에 있는 전자와 상호작용하여 산란된다. 고전 전자기학에 따르면, 산란된 광선의 파장이 초기 입사된 파장과 같아야 한다.[1] 또한 광자의 에너지는 파장에 반비례하므로, 이는 완전 탄성 산란(에너지 교환이 없는 산란)이며 이를 톰슨 산란(Thomson scattering)이라 한다.

그러나 실험을 통해 산란된 광선의 파장이 처음 입사된 광선의 파장보다 더 길다는 사실이 입증되었다.

즉, 전자와 광자 사이에 약간의 에너지 교환이 존재한다.

1923년 아서 콤프턴은 양자역학과 상대성 이론을 사용하여 이 현상을 이론적으로 설명하였고, 이를 실험을 통해 확인하였다. 1925년에 콤프턴의 학생이었던 우유쉰(중국어 정체자: 吳有訓, 간체자: 吴有训, 병음: Wú Yǒuxùn, 영어: Y. H. Woo)이 콤프턴 공식을 더 정밀한 실험을 통해 확연히 입증하였다. 콤프턴은 이 발견으로 1927년 노벨 물리학상을 수상하였다.