빛의 파동성

빛의 파동성

 

원자의 전자 구조에 관한 지식은 대부분은 물질이 방출하거나 흡수하는 빛을 분석하여 얻어진다. 그러므로 전자 구조를 이해하려면 우선 빛에 관하여 알아야 한다. 우리 눈으로 볼 수 있는 빛, 즉 가시광선 (visible light)은 전자기 복사선(electromagnetic radiation)의 한 종류이다. 전자기 복사선은 공간을 통해 에너지를 운반하므로 복사 에너지(radiant energy)라고도 알려져 있다.

가시광선 이외에도 전자기 복사선은 여러 종류가 있다. 라디오를 통해 음악을 운반하는 라디오파, 벽난로 불꽃에서 나오는 적외 복사선, X선 등과 같이 여러 다른 형태의 복사선은 서로 매우 다른 것처럼 보이지만, 이들은 근본적인 공통점을 갖고 있다.

모든 종류의 전자기 복사선은 진공에서 빛의 속도로 움직인다. 모든 형태의 전자기 복사선은 물을 통하여 움직이는 파동과 비슷한 특성을 갖는다. 물 위에 떠 있는 배가 움직이거나 또는 물에 돌맹이를 던질 때 물에 전달되는 에너지의 결과로 물의 파동이 생긴다. 이 에너지는 물의 상하 운동으로 나타난다. 물의 파동 단면은 주기성을 보이는데, 이는 마루와 골의 모양이 규칙적인 간격으로 반복됨을 의미한다. 계속해서 이어지는 두 개의 마루 사이의 간격을 파장이라고 한다. 일정한 점을 통과하는 파장의 개수 또는 주기를 1초의 시간으로 계산한 파동의 수를 파동의 진동수라고 한다.

그림에서 설명한 물의 파동과 마찬가지로, 전자기 복사선에 대해 진동수와 파장을 지정할 수 있다. 전자기 복사선의 모든 파동 특성은 복사선과 관련된 전기장과 자기장 세기의 주기적인 진동 때문에 나타난다. 

물의 파동 속도는 파동의 원인에 따라 다르다. 예를 들면 고속 모터보트에 의해 생성된 파동은 노를 이용하여 움직이는 보트에 의해 생성된 파동보다 바르다. 반면에, 모든 전자기 복사선은 모두 같은 속도로 움직이며, 이 속도는 빛의 속도이다. 결과적으로 전자기 복사선의 파장 및 진동수는 직접적인 연관성을 가진다. 파장이 길 때 매초당 일정한 점을 통과하는 파동의 횟수는 더 작으므로, 진동수는 작다. 반대로 말하면, 큰 진동수의 파동은 파동 마루 간의 거리가 짧아야 한다.(짧은 파장). 이러한 전자기 복사선의 진동수와 파장간의 반비례 관계는 식으로 나타낼 수 있다.

전자기 복사선의 종류가 다르면 왜 다른 성질을 갖는가? 그 차이는 파장이 다르기 때문에 나타낸다. 전자기 스펙트럼(electromagnetic spectrum) 이라고 하는 것은 여러 가지 전자기 복사선 종류를 파장이 증가하는 순서대로 배열한다. 파장의 범위는 대단히 넓다. 감마선의 파장은 원자핵의 지름과 비슷한 반면에, 라디오파의 파장은 축구장보다 더 길 수 있다. 파장을 표시하기 위해 선택하는 길이 단위는 복사선의 종류에 의존한다.

진동수는 헤르츠라는 단위를 가지며, 초당 진동 횟수를 뜻한다. 진동수 단위는 간단히 매초당의 횟수 단위로 나타내고, /s라고 표기한다. 예를 들어 휴대전화의 대표적인 진동수인 698megahertz의 진동수는 698MHz, 라고 쓸 수 있다. 

 

양자화된 에너지와 광자

 

빛의 파동 모형으로 빛의 여러 거동을 설명할 수 있지만, 몇 가지 관측에 의하면 이 모형으로는 해결할 수가 없다. 다음 세 가지는 전자기 복사선과 원자가 어떻게 상호작용을 하는지를 이해하는 데 특히 적절하다. 1) 뜨거운 물체로부터의 빛의 방출 2) 빛을 쪼여 준 금속 표면으로부터의 전자 방출 3) 들뜬 전자 상태의 기체 원자로부터의 빛의 방출

 

뜨거운 물체와 에너지의 양자화

 

고체를 가열하면 전기난로의 붉은 빛이나 텅스텐 전구의 밝은 백색 빛에서 보는 것과 같은 복사선을 방출한다. 복사선의 파장 분포는 온도에 의존하고, 붉은색의 뜨거운 물체는 노란색이나 하얀색의 뜨거운 물체보다 온도가 더 낮다.

Planck의 양자 이론이 옳다면 양자 효과는 왜 우리의 일상생활에서 분명하게 나타나지 않는가? 왜 에너지의 변화가 계단식으로 양자화되어 있지 않고 연속적인 것처럼 보이는가? planck 상수가 극히 작은 수치라는 것에 유의하라. 그러므로 양자 에너지는 Hv는 대단히 적은 양이다. 일상생활에서 취급하는 크기 규모에 상당하는 물체든 미시적인 물체든, 에너지를 잃거나 얻는 것에 관한 planck 규칙은 항상 똑같다. 일상생활에서 취급되는 것에서 에너지 단일 양자의 손실이나 취득은 너무 작아 완전히 무시될 뿐이다. 반면에, 원자 수준에서의 물질을 취급할 때 양자화된 에너지의 영향은 훨씬 더 중요하다.