아인슈타인 덕분에 사고의 지평은 지구에서 우주로 넓어졌고, 인류는 빛의 기원과 빛이 누비는 우주에서의 시공간 작동 원리를 알게 되었다. 시간을 달리며 오는 빛은 인류에게 주어진 우주로의 초대장이었다.
모든 것에는 균형이 필요하다는 자연의 규칙 때문일까? 어쩌면 빛은 뭔지 모를 균형을 잡기 위해 열심히 시간을 달리고 있는 게 아닐까란 생각이 든다.
이번 시간부터는 저 머나먼 우주에서 달려오는 빛이 역설적이게도 아주 조그마한 미시 세계에서 작동하는 물리 원리에 대한 힌트를 제공하는 서사를 알아본다. 우주에서 달려오는 빛이 들고 오는 미시 세계로의 초대장, 그 역설의 서사 중심에도 역시 아인슈타인이 있었다.
학습 목표
빛의 이중성을 알고, 영상 정보가 기록되는 원리를 설명할 수 있다.
핵심 키워드 조직도
※학습 목표 및 핵심 키워드 조직도 분석
파동으로만 알고 있었던 빛의 정체성에 의문을 제시한 광전 효과의 의의를 알아보고, 빛이 갖는 입자적 성질이 어떻게 광전 효과를 일으키는지에 대해 공부한다.
1. 빛이 파동이 아니라고?
분명 빛은 간섭과 굴절 현상을 보였기 때문에 빼박 파동이었다.
그러나 20세기에 들어와 아인슈타인을 비롯한 여러 과학자들은 빛이 파동이라면 설명되지 않는 사례들을 하나하나씩 마주하게 된다.
빛의 파동성이 갖는 모순 ①
지구에서 멀리 떨어진 별에서 오는 빛은 별표와 같은 뾰족뾰족한 모습으로 보인다. 이렇게 별빛이 뾰족뾰족하게 보이는 까닭은 빛이 우리 눈구멍에서 파동적 성질을 띠기 때문이다. 여기까진 이상한 게 없다.
한편, 우리가 밤에 머리를 들어 밤하늘을 관찰하면 별을 금방 볼 수 있다. 사실 빛을 감지하려면 우리 눈의 센서가 별에서 오는 빛을 받아 변화해야 한다. 그런데 빛이 파동이라면 생체 구조상 눈 속의 센서가 빛을 감지할 정도의 에너지를 모으기까지 긴 시간이 필요해서 딜레이가 발생한다. 별이 지구로부터 엄청 멀리 떨어져 있기 때문이다. 결론은 빛이 파동이라면 밤하늘을 꽤 오랜 시간 동안 올려다봐야 별을 볼 수 있다. 마치 별을 찍기 위해 카메라를 오래 노출해야 하듯이 말이다.
하지만 실제로는 그렇지 않다. 그냥 머리를 치켜들면 별을 바로 볼 수 있다.
빛의 파동성이 갖는 모순 ②
파동은 진폭이 클수록 세기도 커지기 때문에 더 많은 에너지를 전달할 수 있다. 음파의 진폭이 클수록 음량이 커지는 것처럼 말이다. 파도의 진폭이 크다는 건 파도의 높이가 높다는 거다. 파도의 높이가 높을수록 파도 자체가 가지는 에너지가 어마어마하다. 즉 파동이 가지는 에너지는 진폭의 크기, 즉 세기가 커지면 커지기 마련이다.
따라서 빛이 파동이라면 빛의 세기가 증가할수록(빛의 세기가 크다는 건 그만큼 빛 파동의 진폭이 크다는 걸 의미함) 그만큼 더 큰 에너지를 무언가에 전달할 수 있어야 한다.
그런데 여기에 반하는 사례가 발견된 것이다.
가시광선을 충분히 오래 쬐면 형광 물질에 에너지가 차곡차곡 쌓여서 시간이 지나면 형광 무늬가 나타나야 할 건데 실제로는 그렇지 않다. (빛의 파동성이 갖는 모순①) 게다가 가시광선의 세기를 증가시켜도 지폐에 형광 무늬가 나타날 기미가 안 보인다.
하지만 자외선을 비출 때는 딜레이 없이 형광 무늬가 바로 나타났다. 게다가 자외선의 세기가 약하건 세건 상관없이 형광 무늬가 바로 나타났다.
파동 역학에서는 파동의 에너지를 파동의 세기(진폭)와 관련지었는데 그 연결 고리를 빛이 박살 내려고 하니 과학자들은 파동 역학을 수정해야 할지, 빛의 정체성을 재정립해야 할지 입장이 난처해졌다.
빛의 파동성이 갖는 모순 ③
쐐기를 박는 현상의 끝판왕이 나왔다. 바로 '광전 효과'다.
예전부터 과학자들은 금속에 빛을 쬐면 금속에서 전자가 튀어나온다는 걸 알고 있다. 우리가 파도를 맞으면 튕겨 나가듯이 금속의 전자도 빛의 파동 에너지에 의해서 전자가 튕겨 나가겠거니 생각했다. 이렇게 빛에 의해서 금속에서 전자가 튀어나오는 현상을 '광전 효과'라 했다. 그런데 실험을 해보더니 희한한 현상이 포착되었다.
첫 번째 빛을 금속에 쬐어주면 전자가 바로 튀어나오는 거. 빛이 파동이라면 전자가 운동할 수 있을 때까지 에너지가 충전되어야 하니까 그만큼 시간이 지연되어야 한다. 그런데 그런 딜레이가 없이 바로 전자가 튀어나온다는 건 파동 역학으로 설명이 되지 않는다.
두 번째 어떤 빛은 밝기를 엄청 세게 해서 금속에 쬐어줘도 금속에서 전자가 하나도 튀어나오지 않는다. 이건 마치 해일급 파도가 우리를 덮쳐도 우리가 꼼짝 않고 가만히 있는 것과 같다. 파동 역학으로 설명이 되지 않는다.
세 번째 어떤 빛은 밝기가 엄청나게 약해도 금속에 빛을 쬐어주자마자 전자가 바로 튀어나온다. 이건 마치 우리가 물속에서 물방귀를 뀌어서 일으킨 물보라 때문에 옆에 사람이 날아간 거나 마찬가지다. 역시 파동 역학으로 설명이 되지 않는다.
완전 논리가 박살 났다. 한마디로 빛이 파동이라면 설명이 안 된다. 아인슈타인은 이건 아니다 싶어서 연구에 들어가게 된다.
2. 아인슈타인의 광양자설
빛이 파동이 아니고 입자라면?
지폐에 형광 무늬를 나타나게 한 빛은 가시광선이 아니라 자외선이었다.
위의 스펙트럼에서 확인할 수 있는 건 자외선이 가시광선보다 진동수가 크고 파장이 짧다는 거다.
여기에서 아인슈타인이 힌트를 얻는다.
"빛이 진동수와 관련 있는 에너지를 가진 입자의 집합이라면?"
아인슈타인은 빛을 연속적인 파동이 아니라 불연속적인 빛 알갱이(입자)의 흐름이라 가정했다. 한마디로 빛을 파동이 아닌 입자로 봤다. 이 빛 알갱이를 광양자(광자)라 정의하고, 광자 1개의 에너지 E는 빛의 진동수 f에 비례한다고 정의했다. 이에 덧붙여 아인슈타인은 빛은 빛 알갱이(광자)의 집합으로써 광자 1개가 갖는 에너지가 'hf'이기 때문에 빛 에너지가 hf의 정수배만 갖는다고 제안했다. 즉 빛 에너지가 불연속적으로 양자화되어 있다는 말이다.
빛 에너지는 양자화되어 있기 때문에 hf의 정수배로만 정의된다. 즉, 빛은 0.6hf 또는 75.5hf와 같은 에너지를 가질 수 없다.
비유를 하자면 화폐도 양자화(=정수배)되어 있다. 왜냐하면 가장 적은 가치의 동전은 1원이며 다른 동전들이나 지폐는 이 값의 정수배만을 갖기 때문이다. 다시 말하면 원화의 양자는 1원이고 다른 화폐는 모두 1원의 양의 정수배만을 가질 수 있다. 즉, 0.755원이란 있을 수 없다.
3. 광양자설로 분석하는 광전 효과
빛 알갱이(광자) 1개는 금속 안에 있는 여러 개의 자유 전자와 상호작용하지 않고, 오로지 1개의 자유전자와 상호작용한다. 기억해라. 광자와 전자는 1대 1로만 상호작용한다는 사실을 말이다.
따라서 광자 1개가 갖는 에너지가 금속의 자유전자 탈출 여부를 결정한다.
①빛의 진동수가 금속의 문턱 진동수보다 낮을 때는 광자 1개의 에너지(=hf, f=빛의 진동수)가 금속의 일함수 W(=hf', f'=금속의 문턱 진동수) 보다 작으므로 광전자가 방출되지 않는다. 반대로 빛의 진동수가 문턱 진동수보다 높을 때는 광자 에너지가 금속의 일함수보다 크므로 광전자가 방출된다.
②광자의 에너지가 금속의 일함수 이상일 때 광자의 에너지를 흡수한 전자가 즉시 방출된다. (입자가 충돌하면 즉시 반응하는 것처럼)
③빛의 세기가 세다는 건 빛을 이루는 광자가 많다는 뜻이다. 이 말은 광자와 매칭 되는 전자의 수가 많아짐을 의미하므로 빛의 세기가 셀수록 방출되는 광전자의 수가 많아진다. 물론 빛의 진동수가 금속의 문턱 진동수보다 커야만 한다. 반대 상황이라면 빛의 세기와 관계없이 금속에서 전자가 방출되지 않는다.
⑤이때 방출되는 광전자의 최대 운동 에너지는 다음과 같이 정의된다.
광전자의 최대 운동 에너지는 광자의 에너지와 금속의 일함수에 의해 결정되는 거지, 빛의 세기와는 전혀 무관함을 식으로 확인하자.
4. 광전 효과의 활용
①광 다이오드: p형 반도체와 n형 반도체를 접합시켜 만든 다이오드의 한 종류로, 빛을 비추면 광전 효과에 의해 전류가 흐른다. → 빛 신호를 전기 신호로 변환한다.
태양광 발전에서는 광 다이오드의 일종인 태양 전지를 사용하여 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 직접 변환한다.
빛의 세기가 셀수록 광 다이오드에 발생하는 전류의 세기가 증가하는 이유는 무엇일까?
②전하 결합 소자(CCD): 디지털카메라 등에서 사용되는 장치로, 광전 효과에 의해 빛 신호를 전기 신호로 변환하는 소자이다.
5. 빛의 이중성
움직이는 당구공 1개가 정지해 있는 당구공 1개와 충돌하면, 자연스럽게 충돌의 주체와 객체가 매칭이 된다. 당구공끼리 충돌하면 각각의 당구공은 시간이 지연되는 것 없이 즉시 운동 상태가 변한다. 이와 마찬가지로 광전 효과가 일어날 때도 광자 1개가 광전자 1개와 매칭 되어 즉시 반응한다. 당구공은 알다시피 입자이다. 이처럼 빛이 입자처럼 행동한다는 걸 알려준 대표적인 현상이 '광전 효과'이다. 이를 분석한 공로로 아인슈타인은 노벨상을 수상하게 된다.
빛의 간섭과 굴절 현상은 빛이 파동이라는 증거고, 광전 효과는 빛이 입자라는 증거이다. 이것은 언뜻 서로 양립할 수 없는 모순처럼 여겨졌지만, 여러 실험적 증거들을 종합할 때 빛은 어떤 때는 파동처럼 행동하고 또 다른 때는 입자처럼 행동함이 밝혀졌다. 이처럼 빛은 이중적이다. 빛은 파동성과 입자성을 모두 가지지만, 희한하게도 이 성질들이 동시에 나타나지는 않는다.
한국 영화의 역사는 쉬리 개봉 이전과 이후로 나뉜다 는 말이 나올 정도로 대한민국 영화의 역사를 논할 때 빼놓을 수 없는, 기념비적인 작품이다. 1987년 이래로 점유율이 20%대에 머물던 한국영화의 점유율을 단숨에 40%에 육박하게 만들었고 그 여파가 현재에까지 이르고 있기 때문이다.
야시경이란 주변의 미약한 불빛을 증폭해서 어두운 곳에서도 볼 수 있도록 만든 군사용 첨단 장비다. 야시경은 광 증폭기라 불리는 소자의 2차원 배열로 이루어져 있다. 광 증폭기는 '광전 효과'를 이용해서 빛 신호를 전기 신호로 증폭시킨 후에 이것을 다시 빛 신호로 바꾸어 준다. 실제로 영화에서처럼 야시경을 쓴 상태로 전등의 불빛을 보게 된다면 한석규는 눈에 치명적인 부상을 입게 될 것이다.
영화 '쉬리'는 남북 분단의 현실을 배경으로 국가 일급비밀정보기관의 특수 요원 한석규와 그의 파트너 송강호의 활약상이 그려지는 내용이 주를 이루며, 마지막 반전의 장치로 마련된 김윤진의 존재는 남북의 이분법적 대립 구조를 관통하면서 우리의 감성을 자극한다.
38선을 경계로 나뉜 남과 북의 지형적 대립, 전혀 다른 두 사상의 관념적 대립
이러한 이분법적 대립 구조를 관통하는 것은 '사랑'이라는 인류 보편적인 감정이었다.
파동성과 입자성, 이분법적 대립 구조를 관통하는 빛이라는 존재의 본질은 무엇일까? 우리가 끊임없이 고민해봐야 할 문제인 듯하다.
6. 기출문제 풀어보기
14년도 4월 학평 물리 1 15번/ 정답률 76%
답: 4번
18년도 수능 물리1 9번/ 정답률 86%
답: 5번
15년도 7월 학평 물리1 13번/ 정답률 90%
답: 1번
20년도 6월 모평 물리1 6번/ 정답률 70%
답: 1번
19년도 7월 학평 물리1 14번/ 정답률 81%
답: 1번
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