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Intro ......

 

전자가 어떤 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로 옮겨 가면, 보른 그리고, 차라리 자연이 가지고 있는 고유한 성질인 것이다. 이는 1801년에 토마스 영의 2중 슬릿 실험과 반세기 전에 확고하게 자리잡은 맥스웰의 전자기 이론에 따라, p 18 - 21 하이젠베르크, 색깔 등에서 연속적인 성질을 지니고 있다고 믿는다. 그 후, 화학 결합과 원자 스펙트럼의모든 것을 설명할 수 있게 되었다. 이를테면, 똑같은 실험을 수행하면 언제가 똑같은 결과를 얻게 되는 것이다. 2. 불확정성 개념의 등장배경 폴 데이비스, p 32-44 주지하다시피 양자론의 태동은 플랑크로부터이다. 이러한 파동 모형에 따르면, 그들은 핵 주위를 회전하는 전자들이 어떻게 전자기파를 방출하지 않는가를 의심했다. 즉, 원자 세계에서는 이런 양상이 달라진다. 이 표현은 전자의 위치와 운동량을 동시에 측정할 수 없음을 의미한다. 양자역학의 등장배경 위의 책, 한겨레, 줄리언 브라운, 철학과 물리학의 만남, 색, 사과 하나는 그 모양이나, 원자 속의 유령, 원 궤도를  ......

 

 

Index & Contents

양자역학의 기본 개념과 그 실험

 

양자역학의 기본 개념과 그 실험에 대한 실험보고서입니다. 양자역학77

 

2. 양자역학의 기본 개념

 

2. 1. 양자개념이란 무엇인가 폴 데이비스, 줄리언 브라운, 원자 속의 유령, 범양사, 1994, p 17

 

 

양자(quantum)라는 말은 띄엄띄엄하고 불연속적인 양을 의미한다. 일상에서 우리는 물체의 크기, 무게, 색, 온도, 표면적, 운동과 같은 물체의 성질이 물체의 종류에 관계없이 연속적이이라는 생각에 익숙하다. 이를테면, 사과 하나는 그 모양이나, 크기, 색깔 등에서 연속적인 성질을 지니고 있다고 믿는다.

헌데, 위의 경우가 거시세계라면, 원자 세계에서는 이런 양상이 달라진다. 원자를 구성하는 입자의 운동, 에너지, 스핀과 같은 성질은 불연속적인 양으로 기술된다. 즉, 뉴턴 역학의 가정 중 하나가 물질의 성질이 연속적이라는 것인데 비해, 이러한 가정이 원자세계에는 적용되지 않는다는 것을 발견한 물리학자들은, 물질의 원자적인 행동을 특징짓는 띄엄띄엄한 양자를 설명하는, 새로운 역학 체계인 양자역학을 고안하였다. 즉, 양자론은 양자역학을 태동시킨 기본 이론이다.

 

2. 2. 양자역학의 등장배경 위의 책, p 18 - 21

하이젠베르크, 철학과 물리학의 만남, 한겨레, 1985, p 32-44

 

 

주지하다시피 양자론의 태동은 플랑크로부터이다.그는 뜨거운 물체로부터 발생되는 복사 에너지의 파장별 분포에 관한 수수께끼에서, 어떤 이상 조건에서 에너지가 특정한 방법으로 분포한다는 사실을 발견하고, 이를 전자기 복사가 띄엄띄엄한 덩어리거나 묶음으로 존재한다는 가정을 이용하여 설명하였다. 이 덩어리가 양자였다. 플랑크는 이러한 현상이 일어나는 이유는 잘 모른 채, 이를 특수한 상황으로 받아들이고, 설명하였다.

플랑크의 양자 가설은 1905년 아인슈타인에 의해 확고한 지지를 받았다. 즉, 빛 에너지가 금속 표면에 도달해서 전자를 발생시킨다는 광전효과를 양자 가설을 이용하여, 빛이 곧 광자(불연속적인 덩어리)라고 생각하였다. 이는 1801년에 토마스 영의 2중 슬릿 실험과 반세기 전에 확고하게 자리잡은 맥스웰의 전자기 이론에 따라, 빛이 전파되는 연속적인 파동이라는 관점과는 대조되었다.

그 후, 파동-입자의 이중성에 관한 논의는 빛에서 물질로 관심이 옮겨간다. 당시에 물리학자들은 원자의 구조에 관심을 기울였는데, 그들은 핵 주위를 회전하는 전자들이 어떻게 전자기파를 방출하지 않는가를 의심했다. 왜냐하면, 맥스웰의 전자기 이론에 의하면 곡선 궤도를 따라 움직이는 하전 입자는 전자기파를 발생시키기 때문이다. 그리고, 그러한 현상이 계속되면, 원 궤도를 따라 움직이는 전자들은 에너지를 급격히 잃고, 핵을 향해 나선형 궤도를 그리며 떨어져야 한다.

1913년 보어는 전자가 에너지를 잃지 않는 어떤 고정된 에너지 준위들에 존재한다는 점에서 전자들도 역시 ‘양자화’되어야 한다고 가정하였다. 즉, 전자가 어떤 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로 옮겨 가면, 불연속적인 양의 전자기 에너지가 흡수 또는 방출되는데, 이 에너지 뭉치를 광자(photon)라고 불렀다. 전자의 이와 같은 불연속성의 이유는 데이비슨과 그의 동료들의 실험과 드 브로이의 이론으로부터 광자뿐 아니라, 전자도 특정 상황에 따라 파동이나 입자로 행동할 수 있다는 것을 알고서 설명이 가능해졌다. 이러한 파동 모형에 따르면, 보어가 제안한 에너지 준위는 핵 주위의 정상파 모형에 해당된다. 즉, 전자의 물질파도 일정하게 정의된 에너지 값을 유지하며 진동하고, 이것이 다른 에너지 값으로 이동할 경우에만, 전자기파가 방출되거나 흡수된다.

전자뿐 아니라 원자를 구성하는 다른 조그만 입자들까지도 이와 비슷한 파동성을 유지한다는 사실이 곧 알려졌고, 뉴턴의 고전역학과 맥스웰의 전자기론은 이러한 원자의 미시 세계를 설명해 주지 못했다. 그 후, 1920년 중반에 이르러서야 슈뢰딩거와 하이젠베르크는 입자와 파동의 이중성을 설명하기 위해, 새로운 역학 체계인 양자역학을 각자 독립적으로 완성시켰다.

이 이론은 아주 성공적이었고, 그 결과, 원자의 구조, 방사능, 화학 결합과 원자 스펙트럼의모든 것을 설명할 수 있게 되었다. 또한 디랙, 페르미, 보른 그리고, 다른 과학자들은 마침내 핵의 구조, 핵 반응, 고체의 전기 및 열적 성질, 초전도, 기본 입자의 생성과 소멸, 반물질의존재, 붕괴하는 별들의 안정성 등 많은 현상을 설명하게 되었다. 특히, 전자 현미경, 레이저 및 트랜지스터 등의 실용적인 하드웨어의 발전에 기여했다.

 

2.. 3. 불확정성 개념의 등장배경 폴 데이비스, 줄리언 브라운, 원자 속의 유령, 범양사, 1994, p 21-63

하이젠베르크, 철학과 물리학의 만남, 한겨레, 1985, p 45-55

 

 

양자 물리가 발견되기 이전에는 자연계의 모든 현상들은 예측이 가능하였다. 이를테면, 똑같은 실험을 수행하면 언제가 똑같은 결과를 얻게 되는 것이다. 그러나 광자를 편광판에 통과시키는 실험을 통해, 똑같은 실험을 하더라도 다른 결과를 이끌어 낼 수 있다는 사실을 알게 된 셈이다. 결국 자연 현상은 전적으로 예측 가능한 것만은 아니다. 이를테면, 광자가 어떤 운명에 처할 것인지는 관찰이 끝난 후에야 판단이 가능한 것이다.

1927년에 하이젠베르크는 그의 유명한 불확정성 원리 중에서 이 불확정성을 정량화하였다.불확정성 원리의 한 표현 양식은 양자적 입자의 위치와 속도를 동시에 측정하려는 시도에서 나타났다. 이 표현은 전자의 위치와 운동량을 동시에 측정할 수 없음을 의미한다. 그리고 이것은 측정 기술이 완벽하지 못한 것이 아니라, 차라리 자연이 가지고 있는 고유한 성질인 것이다. 이러한 불확실성은 전자나 광자가 공간에서 특정한 궤도를 따라서 움직인다는 아이디어를 송두리째 무너뜨리게 된다.

고전적인 인과율에 따르면, 날아가는 총알의 궤적이나 우주 공간의 행성 궤도가 기하학적 모양으로 결정될 수 있다는 것이었고, 총알이 표적에 닿으면, 그 도착점은 총구에서 출발한 연속선상의 끝점에 해당한다는 사실은 의심할 여지가 없는 것이었다. 이를테면, 전자는 출발점과 도착점은 식별할 수 있지만, 출발점에서 도착점 사

 

 

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