화학. 고전역학과 양자역학의 차이점, 드 브로이의 물질파, 빛의 이중성, 전자의 이중성, 이중 슬릿 실험 (연속성과 불연속성)

 

 

 

 

아인슈타인은 빛의 파동성이 주류였던 당시

큰 반향을 일으키며 빛의 입자설을

주류 이론으로 만든다.

 

하지만 당대에는 더 중요한 논쟁이 남아있었다.

바로 고전역학과 양자역학의 충돌이다.

 

저번 글에서 플랑크가 임의의 상수를 발견하여

에너지는 특정한 값의 정수배를 가지고 있다고

가정하고 에너지의 양자화(양이 정해져 있다)를 주장했다.

 

에너지가 특정 레벨을 가지고 있다는 것은

명백히 고전 역학에 위배가 되는 일이고

주장한 플랑크 마저 이를 인정하지 못해

당대 최고의 논쟁거리로 남았다.

 

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1. 고전 역학 vs 양자 역학

 

 

고전역학과 양자역학의 특징

 

고전 역학적으로 모든 에너지는

'연속적'이라고 생각을 했다.

 

"연속적이다."는 무슨 의미를 가질까?

 

예를 들어 온도가 10도와 11도 사이에

10.643224도가 존재한다는 것이다,

 

반면,

양자 역학은 에너지가 특정 값의

정수배로 양자화되어 있어서

'불연속적'이라고 생각을 했다.

 

"불연속적이다."는 어떤 의미일까?

 

예를 들어 신발 사이즈를 들 수 있다.

260과 265 사이의 262.345는 존재하지 않는다.

 

바로 플랑크는 에너지는 연속적이다 라는

기존 상식을 깨며 에너지의 불연속성을 

주장한 것이다.

 

이 논쟁은 추후에 다른 과학자들이

불을 지펴 이어나간다. 

 

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2. 빛의 이중성

 

다시 한 번 생각해보자

빛은 입자인가? 파동인가?

 

당시 과학계는 빛을 파동적 성질과

입자적 성질을 전부 가지고 있는

특수한 대상으로 정의한다.

 

이는 이중 슬릿 실험으로 보면 명확하다.

 

빛의 파동적 성질

 

빛이 '파동'이라는 가정하에

이중 슬릿으로 발사를 하였다면

반대편 벽에 간섭무늬가 발생해야 한다.

 

* 간섭무늬란 줄무늬 처럼 줄이 쭉 새겨지는 것이다.

 

 

빛의 입자적 성질

 

 

하지만 이중 슬릿을 통과한 빛은

관찰을 하게 되면 명백히 두 줄을 만들며,

입자적 성질을 띤다.

 

또한 관찰을 하지 않고 

결과만을 본다면 간섭무늬를 만들어 내는

특이한 결과를 보인다.

 

당대 과학계에서 특이하다고 인정할 수밖에

없는 실험 결과가 이중 슬릿 실험을 통해 밝혀졌다. 

 

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3. 드 브로이의 물질파 실험

 

입자는 당연히 질량이 있고 운동량과 위치를 모두

알 수 있는 개념이다.

 

하지만 파동은 정확한 위치를 알 수 없고

파장, 진동수와 같은 방식으로 표현을 하는

완전히 다른 개념이다.

 

 

 

 

드 브로이는 아인슈타인의 '상대성 이론'과

'플랑크 가설'에 영감을 받아 두 식을 하나의

공식으로 묶는 데 성공을 한다.

 

따라서 물질은 질량을 가지고 있는 입자이자

파동적 성질을 가지고 있다고 주장한다.

이를 '물질파 이론'이라고 한다.

 

위 이론은 추후에 하이젠베르크의 등장으로

더욱 심화과정으로 들어가게 된다.

 

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정리

 

오늘은 고전 역학과 양자 역학의 차이점과

빛의 이중성이 왜 인정될 수밖에 없었는지

이중 슬릿 실험을 통해 알아보았습니다.

 

또한 빛이 이중성을 가진다면, 입자적 성질을 가진

물질의 전자 또한 이중성을 가질 것이라고 주장한

드 브로이의 '물질파 이론'을 알아보았습니다.

 

깊다면 알 수 없을 정도로 깊은 양자 역학의

흐름을 파악할 정도로만 적었기 때문에

 

수식이나 검증 실험들이 궁금하다면

1. 물질파 이론

2. 데이비슨과 저머의 전자 회절 실험 

등의 검색을 통해 알아보는 것을 추천드립니다.

 

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