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빛의 이중성

by 김가람

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빛의 이중성
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<모든 물질은 입자와 파동으로 이뤄졌다>
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-2703김가람-
입자설
빛은 전자기학의 발전 과정에서 맥스웰의 파동방정식 이후 파동으로 인식되었다. 아인슈타인의 광전효과에 대한 해석이나 콤프턴의 실험은 빛을 하나의 입자로 볼 수도 있음을 보여준다.
1)광전효과
광전효과라는 것은 빛을 금속 표면에 비춰주면 금속 표면에서 전자가 튀어 나오는 것을 말한다. 금속 내에서 전자는 전자구름을 형성하고 있다. 금속 결합은 각 금속이 자신의 최외각 전자를 내어 놓고 양전하를 가진 상태로 존재하며, 모든 금속들이 내어 놓은 전자들을 서로 공유하면서 음전하와 균형을 맞추고 있는 것이다. 따라서 금속 내의 전자들은 금속 내에서는 자유로우면서도 전체적으로 금속 안에 결합되어 있는 것이다.
h : 플랑크 상수 V : 빛의 진동수
이 전자를 금속 바깥으로 떼어내려면 에너지가 필요한데 이 에너지를 공급해주는 방법 중 하나가 빛을 쬐어주는 것이다.빛은 전기파동으로서 진동수에 비례하는 에너지를 갖고 있다. 그런데 재미있는 것은 아무 빛이나 광전효과를 일으키지는 않는다는 것이다. 낮은 진동수의 빛, 다시 말해서 에너지가 낮은 빛은 전자를 튀어나오게 하지 못한다.
이렇게 전자가 튀어나오게 할 수 있는 빛의 최소 에너지를 문턱에너지(threshold energy)라고 한다.
2) 콤프턴 효과
X선을 금속 표면에 쪼이면 금속 표면에 있던 전자가 X선과 충돌하여 튀어 나간다. 이때 충돌에 의해서 전자는 운동에너지를 갖고 튀어 나가는데 이 에너지만큼 X선은 에너지를 잃게 된다. 전체적으로 에너지보존법칙이 성립하는 것이다.
부딪쳐 나온 전자
산란된 광자
에너지가 줄어들기 때문에 X선의 파장은 길어지고 진동수는 작아진다. 또한 이 충돌은 탄성충돌이기 때문에 모멘텀 보존의 법칙도 성립한다. 즉, X선은 전자가 튀어나가는 방향의 반대방향으로 산란되며 그 산란 각도는 전자가 튀어나가는 각도와 상관관계가 있다. 이 실험이 있기 전에는 빛은 파동으로 생각되었기 때문에 전자는 튀어나가는 것이 아니라 X선이 진행하는 방향으로 가속이 되고 그 자리에서 진동을 하면서 그 진동에너지를 다시 전자기파로서 방출할 것으로 생각하였고 전자가 튀어나가는 메커니즘도 충돌이 아니라 전자기파의 파동에 의한 요동으로 생각되고 있었다.
파동설
최초에 빛은 전자기파동으로 생각되었다. 그러다가 광전효과와 콤프턴효과 실험들에 의해서 하나의 알갱이로도 생각되기 시작하였다.

드브로이의 가설 - 물질자체도 파동의 성격이 있다
1) 드브로이의 물질파
드브로이는 빛이 파동성과 입자성을 모두 가지고 있다는 데서 더 나아가 모든 물질은 파동성과 입자성을 가지고 있다고 제안하였다. 물질파의 파장과 진동수는 각각 다음과 같이 표현되었다.
λ = h/p
f = E/h
원자 내의 전자의 정상파
이 개념은 전자가 원자핵을 회전하는 모델을 파동적으로 설명할 수 있다.
2) 전자의 회절-데이비슨과 거머의 실험
전자를 니켈 금속판에 쬠.

전자가 산란되는 각도를 측정

전자가 금속의 결정구조에 입사될 때 전자가 순전히 입자의 성질만을 가지고 있다면->어떠한 무늬도 만들어 내지 않을 것

but, 무늬를 만들어 냄

이로써 전자와 같은 입자도 파동성을 가지고 있다는 것이 증명되었다.
이러한 실험은 전자만으로 그치지 않고 헬륨 원자, 수소 원자, 그리고 중성자에 의한 실험도 수행되었으며 모든 실험에서 회절무늬가 관찰됨으로써 모든 물질은 입자성뿐만 아니라 파동성도 가지고 있다는 것을 알게 되었다.
용어정리
전자구름 : 원자, 분자 안에 있는 전자의 공간적 분포 상태를 구름에 비유하여 이르는 말.
모멘텀 : 물질의 운동량
모멘텀 보존의 법칙 = 운동량 보존의 법칙
참고문헌
물1 수능특강
스타 라이브러리
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