파동­입자의 이중성- 광전자효과와 콤프턴 효과

[뽀야]

빛은 어떤 면에서는 파동의 성질을 지녔고 다른 면에서는 입자(광자)의 흐름으로 여겨질 수 있는 이중성을 가지고 있다.

광자의 에너지와 운동량은 진동수에 따라 증가된다. 이처럼 빛은 묘연한 존재다.

긴 파장의 빛인 경우 광자는 매우 적으며, 파동의 성질이 두드러진다.

광자는 파장이 짧은 X선이나 감마선의 경우 크게 나타나며 이런 복사선의 경우 입자성이 두드러진다. 그러나 실제로는 이 두 성질이 모든 파장과 진동수에 있어 어떠한 역할을 한다. 역사적으로 이 이중성은 1900년 플랑크에 의해 최초로 인식되었다.

그는 흑체(모든 빛을 흡수하는 이상적 고체)에서 나오는 복사선의 파장 분포를 연구하고 있었다. 이것은 어떻게 뜨거운 물체는 더 빨갛게 되고 더 밝아지는지를 정량적으로 설명하는 문제였다.

관찰된 복사에너지 분포를 설명하기 위해 그는 복사선의 흡수와 방출은 어떤 상수 h에 진동수를 곱한 에너지(W=hν)를 가진, 지금은 광자라고 하는 양자에 의해 이루어진다고 가정했다.

즉, 플랑크 상수(h)라 불리는 것이 물리학에 처음으로 도입되었다.

플랑크의 추론은 좀더 복잡한 것이었고, 양자 개념은 처음에는 물리학자들로부터 인정받지 못했다.

1905년 아인슈타인은 자외선이나 X선을 쬐인 금속에서 전자를 방출하는 광전자효과를 설명하기 위해 광자의 개념을 확립했다. 그는 빛이 금속을 때릴 때 광자가 각각의 전자에 흡수되고, 그 에너지를 각각에게 하나씩 하나씩 전달한다고 가정했다. 따라서 광자가 금속에서 전자를 방출시키기 위해서는 어떤 한계 진동수보다 큰 진동수를 가져야만 한다.

이것은 또한 더 큰 세기의 빛이 더 많은 전자를 방출시키지만 각각의 전자가 갖는 에너지는 빛의 세기에 무관하다는 관찰 사실을 설명한다. 아인슈타인은 상대론이 아닌 이 업적으로 1921년에 노벨 물리학상을 수상했다.

콤프턴 효과 X선 산란에서의 콤프턴 효과, 변화된 파장(λ1)은 원래 파장(λ0)보다 길며 각도(A)가 커짐에 따라 길어진다

광전자효과의 역은 X선관에서 X선이 발생될 때 일어난다.

여기서는 음극선에서 1만~100만V(볼트)의 에너지를 가진 전자가 양극으로 가속되면서 양극을 때리고 거기서 에너지를 잃고 작은 양의 에너지를 X선으로 방출한다. X선의 최대 에너지는 이론상 전자가 X선관에서 얻을 수 있는 에너지이다.

J(줄)로 표시하는 이 에너지는 전하(e)와 X선관에 건 전압(V)의 곱(eV)이다. 그러므로 가장 짧은 X선의 파장(λmin)은 Ve=hcλmin－1로 주어진다.

이것보다 긴 파장은 전자가 일부의 에너지를 다른 과정에서 잃고 X선을 방출할 때 생긴다. 이는 X선이 광자로 이루어졌다는 가정과 부합된다.

1923년 미국의 아서 홀리 콤프턴은, X선을 고체인 흑연에 산란시키는 실험을 했다. 흑연에서 전자는 다른 원소보다 약하게 구속되어 있다. 단색파장(λ0)의 빛을 사용한 산란실험 결과 그는 두 종류의 파장을 발견했다.

하나는 처음(λ0)의 것과 같고, 다른 하나는 산란각도에 따라 길어진 파장(λ1)이었다(그림 참조). 이것은 X선이 산란될 때 2개의 확실한 과정이 있음을 보여준다.

변하지 않은 광자는 흑연의 원자 안에 세게 속박된 전자에 산란된 것이며, 변화된 광자는 약하게 속박된 전자에 의해 산란된 것으로 해석될 수 있다. 이것을 설명하기 위해 콤프턴은, 광자는 에너지와 함께 운동량(p=hλ－1)을 진행방향으로 갖는다고 가정했다.

어떤 산란각도 A에서, 광자의 운동량은 변하며 산란된 광자의 에너지는 광자의 운동량에 의해 되튐전자에 흡수된다. 이 이론은 모든 산란각도에서 되튐전자의 방향과 속력을 예견했으며, 실험적으로 옳게 판명되었다.

광전자효과와 콤프턴 효과는 에너지 W=hν를 갖고 운동량 p=hλ－1을 갖는 광자의 존재를 말해 준다. 입자의 성격을 설명하는 W, p와 파동의 성격을 설명하는 ν, λ의 관계를 연결지어주는 것이 플랑크의 양자상수 h이다.