빛 이야기 (1) 빛이란 무엇인가? (하)

빛 이야기 (1) 빛이란 무엇인가? (하)

빛 이야기 (1) 빛이란 무엇인가? (하)

전편에 이어 “빛이란 무엇인가?”에 대해 계속 이어가겠습니다.

또다시 입자설?
꺼져가는 입자설과 파장설 사이의 논쟁에 불을 붙인 것이 바로 현대 물리학의 절대강자 아인슈타인이 주장한 광양자설입니다. 아인슈타인은 맥스 플랑크가 빛을 완전히 흡수하는 흑체(Black Body)가 온도에 따라서 일정한 진동을 가진 빛을 방출하고, 고유 진동수를 가진 빛이 최소 에너지값을 가진다는 “양자(Quantum)” 개념에서 힌트를 얻어 광양자설을 설명합니다. 즉 빛은 에너지가 있는 입자 덩어리이고 셀 수 있는 작은 단위, 즉 입자라는 것입니다. 

플랑크의 “흑체복사”

여기서 잠깐!!
플랑크의 흑체복사에서 조명에서 사용하는 “색온도”라는 개념이 나왔습니다. 흑체복사 스펙트럼은 흑체의 온도가 올라갈수록 주파수가 커지고 파장이 짧아지면서 복사에너지는 커지는 특성을 가집니다. 이때 광원의 색을 절대온도를 이용해서 숫자로 표시한 것이 색온도입니다.

색도 다이어그램에 적용된 “플랑키안 궤적”

이런 빛의 입자를 “광자(Photon)”라고 합니다. 광자는 광전효과 실험을 통해 증명됩니다. 알루미늄 금속간에 빛을 비추면 금속판이 반짝거리는 현상을 보게 됩니다. 이것은 단순히 금속판이 빛을 반사하는 것이 아니라 외부에서 받은 전자기파에 의해 광전가가 밖으로 튀어나오는 것입니다. 단순히 빛을 받아서 전자가 방출되는 것이 아니라 일정량의 진동수(에너지)가 있어야 전자가 방출될 수 있습니다. 만약 빛이 파동이라면 진동수에 상관없이 오랜 시간 빛을 비추기만 하면 금속판의 전자가 방출되어야합니다. 하지만 실험을 통해 진동수(에너지)가 높은 빛의 입자를 금속에 비추면 입자가 전자와 만나 에너지를 전달하고 전자는 에너지를 얻어 금속판을 탈출한다는 것으로 빛이 파동이 아닌 입자라는 것을 입증했습니다.

아인슈타인의 “광전효과”

토마스 영이 이중슬릿 실험으로 빛의 파동설이 증명했다면 플랑크의 흑체복사와 아인슈타인의 광전효과는 양자론을 통해 빛의 입자설을 다시 대두시켰습니다. 이에 컴프턴(Compton)은 X선을 이용한 광산란 실험을 통해 “컴프턴 효과”로 빛의 파동설을 누르고 입자설을 유리한 입지에 올려놓았습니다. 컴프턴은 X-선을 흑연에 비추어 파장의 변화를 관찰하였고 산란된 X-선의 파장이 길어지고 전자가 튀어나온다는 사실로 빛이 파동이 아니라 입자라는 것을 증명했습니다.

컴프턴의 “광산란 실험”

빛의 이중성
여러 물리학자들의 실험과 알아듣기 힘든 증명들을 알아보았습니다. 이제 슬슬 마음 속에서 이런 의문이 생길겁니다.
“그래서 빛은 입자라는거야? 파동이라는거야?”
플랑크의 흑체복사, 아인슈타인의 광전효과, 컴프턴의 광산란등의 양자물리학을 통해 고전물리학에서 설명하지 못하는 에너지의 양자화라는 개념으로 설명하였습니다. 즉 전자기파와 같이 파동이라고 여겨졌던 빛이 불연속적인 에너지를 지닌 입자로 증명이 된겁니다. 하지만 그 이후 드브로이(de Broglie)의 물질파 개념을 데이비슨–거머(Davisson–Germer)가 빛의 파동적 성질이 다시 입증하였습니다. 이로서 모든 논쟁은 다시 원점으로 돌아왔습니다. 결국 아인슈타인–드브로이 이론에 의해 물질과 에너지는 동일하며, 입자는 파동성을 지닐 수 있고 파동도 입자가 지니는 운동량을 가질 수 있다는 파동과 입자의 두 가지 성질을 모두 지닌 것으로 받아들이기에 이릅니다.

결론적으로 간단하게 정리하자면 빛은 전파, 간섭, 회절과 같은 성질을 나타낼때는 파동처럼 행동하지만 콤프턴 효과나 광전효과와 같이 물질과 에너지를 교환할 때는 입자처럼 행동하는 것이 입자의 이중성입니다.

빛의 이중성 “빛은 파동이면도 입자이다”

지금까지 일상생활에서나 일을 하면서 빛이라는 물질에 대해서 심각하게 고민해보지않은 것이 부끄러울 정도로 수많은 물리학자들이 빛에 대해서 연구해왔습니다. 빛이 입자이건 파동이건 일상생활이나 방송조명을 하는것과 별반 상관이 없습니다.  하지만 업으로 삼고 있는 일의 원천이 되는 물질에 대한 기본적인 지식정도는 알아본다는 생각에서 수박 겉핥기 식으로 알아보았습니다.  아직도 끝나지 않은 빛에 대한 논쟁에 대해  이제 좀더 관심을 가질 수 있을 것 같습니다. 그리고 앞으로도 더 많은 위대한 발견을 가져올 것을 기대해 봅니다.

아직도 빛이 무엇인지 이해가 안되신다구요?
아래 동영상을 보시면 조금은 도움이 되실겁니다. (출처 : 카이스트의 과학향기)