빛의 이중성

이번 포스팅은 빛의 본질 및 물질이 본질에 대해서 알아보는 시간을 가져보겠습니다.
자. 빛의 이중성이다 어떤 뜻일까요? 이중인격적이라는 것이라고 말할 수 있겠습니다. 바로 그 내용 말해보겠습니다
어떤 파동이 있을때, 와이파이라고 가정해보자! 앞으로 가기도 하지만 양옆으로 가능한 회절을 하기도 합니다. 또 다른 와이파이가 있으면 그로 인해 간섭하기도 합니다.

같은 위상끼리 만나면 보강간섭을 하고,

반대 위상끼리 만나면 상쇄 간섭하기도 합니다.

이것은 오롯이 파동만이 해당하는 내용입니다. 파동은 위와 같이 간섭하고 회절하기도 합니다.

그런데 빛을 가지고 young 박사가 실험했더니, 간섭무늬가 나왔습니다. 이는 곧 빛은 파동이라는 것을 입증하는 결과가 나왔다는 것입니다.

그 뒤에는 어떤 내용이  빛은 파동이 아니라는 시험 결과가 나오기 시작합니다.

그래서 오늘 배우는 내용은 빛은 파동이 아니라는 것을 배우는 것입니다.

그럼 빛이 파동이 아니고 무엇이냐?
거기에는 두 가지가 있습니다. 파동 그리고 입자

이 둘은 도저히 양립할 수 없는 별개입니다. 우리가 물리학을 배웠지만, 파동적인 물리와 입자적인 물리하고는 완전히 별개입니다.

만약에 파동이 남자라고 한다면 입자는 여자라고 할 수 있습니다. (적절한 비유인지는 모르겠습니다)

남자와 여자는 성적으로 양립할 수 없지요. 즉 애매한 것은 없으며, 양립할 수 없다는 것입니다.

여기서 파동을 대표할 수 있는 물리 공식은 무엇일까요?
네 맞습니다. 파동의 속도는 파장과 속도의 곱이라는 것입니다.

파동이 속도는 얼마큼의 보폭으로 얼마의 횟수로 가냐라는 말입니다.
위의 공식에서 입자와 비교했을 때, 파동의 대표 성질을 하나만 뽑아본다면
입자도 속도가 있을 수도 있고 진동수가 될 수 있지요.

파동은 매질이 달라져도 진동수만큼은 변하지 않습니다. 하지만 진동수가 아닙니다.

입자도 진동할 수 있기 때문입니다.
그럼 파장이 될 수 있겠습니다. 즉, 지금부터 복잡하기 때문에 파동은 파장을 말하는 것이라고 합니다

입자는 비교적 쉽게 대표할 수 있는 것을 찾을 수 있습니다.

질량입니다.

질량은 운동한다거나 하지 않기때문에 좀 생기있게 표현하자면 속도(v)를 붙여 운동량(p)으로 정의 할 수 있겠습니다.

파동이라고 함은 파장(λ)이고 입자의 대표적인 성질은 운동량(p)이라고 할 수 있습니다.

파동의 입자성을 나타내는 대표적인 현상이 있습니다
1) 광전효과
2) 콤프턴효과   입니다.

1) 광전효과
또한 위에서 말씀드렸다시피 빛의 파동성은 회절, 간섭으로 인해 알 수 있습니다

young 실험을 봤을 때 빛이 파동이라는 것은 확실합니다. 빛이 회절과 간섭이 이루어지기 때문입니다

광전효과라는 실험했더니 회절과 간섭을 하는 것이 아니라 전혀 파동으로서의 성질이 아닌 또 다른 성질이 나타나는 것을 알아냈습니다.

그것을 빛은 파동이 아니라는 전제조건을 함으로써 광전효과라는 실험 결과가 해결이 되었습니다. 그래서 빛은 입자라는 것, 광양자설(광양자 혹은 광자)이라고 얘기합니다. 빛을 한 입자로 보는 것을 가정했습니다.
진동수 f인 광자( 빛 알갱이) 1개의 에너지는

위와 같이 식으로 정립할 수 있겠습니다.

빛을 쏘였더니 금속에 광자가 튀어나왔다는 것은

파동의 가설로는 설명할 수 없는데, 빛이 입자라고 가정했을 때만, 전자가 튀어나올 수 있다는 것이지요.

위와 같은 그래프와 식은 광전효과를 나타낸 식입니다. 복잡하지만 어렵지 않습니다.
광자의 에너지가 광전자(입자)를 충분히 움직일 수 있는 양 이상이면 입자를 움직일 수 있는 에너지양을 제외하고 나머지는 입자를 움직일 수 있는 운동에너지라는 것입니다.

영의 실험과 맥스웰의 전자기파 이론 때문에 모든 사람은 빛은 찰떡같이 파동이라고 믿었습니다. 근데 광전효과를 보면 빛은 입자의 형태를 띠고 있었습니다.

광전효과는 빛의 진동수가 크면 빛이 약해도 광전자를 방출합니다. 광자는 진동수가 크면 클수록 광자의 에너지가 커지기 때문에, 즉 에너지가 크면 입자를 움직이게 할 수 있는 역치값을 크게 뛰어넘을 수 있다는 의미이지요. 그리고 그 의미는 일정 수 진동수(입자를 움직일 수 있는 에너지 역치값) 이상의 빛을 비춰야 광전자를 방출합니다.
빛의 진동수가 클수록 광전자의 운동에너지가 크고 빛의 세기가 증가하면 튀어나오는 광전자 수가 많아집니다.

광전효과를 특징을 보면 특히 진동수와 관련이 있습니다. 진동수 빛의 색으로도 볼 수 있는데 진동수가 크다는 의미는 파란색 계열로 볼 수 있고 소리로 보자면 고음을 의미합니다. 반대로 진동수가 작다는 의미는 빨간색을 뜻하고 소리로 보자면 저음으로 볼 수 있습니다.
또한, 빛의 세기는 밝다는 의미는 빛의 알갱이 수가 많다는 것이고 어둡다는 것은 빛의 알갱이가 적다는 것입니다.
이는 곧 광전효과로 보자면 빛이 세기가 어둡다고 해도 파란색이나 고음일시 광전효과가 일어난다고 볼수 있습니다. 반대로 밝지만 빨간색 빛은 광전효과가 일어날 수 없습니다.
광자가 아무리 많아도 충분한 에너지(진동수)가 높은 광자만이 광전효과를 일으킬 수 있습니다.
빛을 많이 쏘여서 광전효과를 일으키는 것이 아니라 입자를 움직일 수 있는 이상의 에너지(역치값)면 광전효과를 일으킨다는 얘기입니다.

2) 콤프턴 효과(산란)
콤프턴 효과는 반사와 같은 의미입니다.
반사에는

정반사와 난반사가 있는데 일정한 각도로 반사하기 때문에 입사각을 통해 반사각을 알 수 있다는 것입니다. 단지 난반사는 지면이 울퉁불퉁하기 때문에 어디로 튀어나올지 예측할 수 없습니다.

파동의 속도는 다른 매질을 만났을 때 파장의 보폭의 차이에 따라 속도가 빨라지고 느려집니다.
문제는 반사에서는 매질 변화가 없습니다. 빛이 들어가고 튀어나올 뿐입니다. 그러면 파장도 변화도 없어야 되고 주파수도 변화가 없어야 하며 속도도 변화가 없어야 합니다. 단지 튀어나오는 경로만 달라질 뿐이어야 되죠.
하지만 빛의 속도는 변하지 않습니다. 3*10^8m로 일정하지요. 콤프턴 산란에 의해 파장이 보폭이 커졌습니다. 그렇다면 진동수는 줄어들어야 합니다. 그렇다면 진동수가 떨어졌다는 얘기는 파동의 입자적으로 봤을 때

산란선의 에너지는 떨어졌을 것이고, 그렇다면 입사선의 일부 에너지가 입자에게 전달되어 운동에너지가 되었을 것이고 나머지 에너지는 산란 선이 되었다는 것을 볼 수 있습니다.
위와 같이 콤프턴산란은 빛의 입자적인 해석으로 보지 않으면 해석될 수 없습니다. 즉 빛은 빛 알갱이라고 볼 수 있습니다.