지구에서 멀리 떨어진 별에서 나온 빛은 우리 눈을 지나며 회절하여 별표와 같은 뾰족뾰족한 모습으로 보이게 된다. 이렇게 별빛이 뾰족뾰족하게 보이는 까닭은 빛의 파동성으로 설명할 수 있다. 한편, 우리가 밤에 머리를 들어 밤하늘을 관찰할 때 별을 금방 볼 수 있다. 인간이 빛을 감지하려면 눈의 감광 색소가 별에서 오는 빛을 받아 변화되어야 한다. 빛이 파동이라면 눈 속의 감광 색소가 변화를 일으킬 정도의 에너지를 모으기까지 긴 시간이 필요할 것이다. 즉, 빛이 파동이라면 밤하늘을 올려다볼 때 오랜 시간을 기다려야 별을 볼 수 있지만 실제로는 하늘로 머리를 들면 바로 별을 볼 수 있다.
그렇다면 빛은 파동이 아닐 수도 있는 것인가?
1. 빛의 파동성
빛은 간섭과 회절 현상이 나타나며, 이것은 빛이 파동임을 의미한다.
파동은 진폭이 클수록 세기도 커지기 때문에 더 많은 에너지를 전달한다.
만약 빛이 파동이라면 빛의 세기가 증가할수록 그만큼 더 큰 에너지를 전달할 수 있어야 한다.
이 파동성에 반하는 빛의 사례를 실험으로 확인하자.
빛이 형광 물질을 이루는 원자의 전자를 들뜨게 만들고, 이 들뜬 전자가 궤도 전이하면서 빛을 방출하기 때문에 형광 무늬가 나타난다.
만약 빛이 파동이라면 가시광선을 충분히 오래 쪼이면 전자에 전이 궤도 차이 만큼의 에너지를 전달할 수 있으므로 형광 무늬가 나타나야 하는데, 실제로는 그렇지 않다. 게다가 가시광선의 세기를 증가시켜도 지폐에 형광 무늬가 나타나지 않는다.
하지만 자외선을 비출 때는 시간 지연 없이 바로 형광 무늬가 나타났다! 자외선, 가시광선 모두 빛이라 불리는 전자기파이지만 왜 이런 차이가 생기는 걸까?
2. 광전 효과
광전 효과: 금속에 빛을 쪼였을 때 전자가 튀어나오는 현상이다.
①광전자: 광전 효과에 의해 금속 표면에서 튀어나온 전자
②일함수(W): 금속에서 광전자 1개를 튀어나오게 하기 위해 필요한 최소한의 에너지이다. 광전자가 방출되려면 일함수만큼의 에너지가 금속 내부의 전자에 일시에 제공되어야 한다.
실험을 통해 금속 표면에서 광전자를 방출시키기 위한 빛의 최소 진동수(문턱 진동수)가 존재함을 발견하였다. 이때 빛의 진동수가 문턱 진동수 이상이면 빛의 세기에 관계없이 광전자가 즉시 방출되었다.
빛이 파동이라면 빛의 진동수가 문턱 진동수보다 작더라도 빛을 오래 쪼여 주거나 센 빛을 쪼이면 광전자가 방출되어야 하는데, 실험 결과는 그렇지 않았다.
3. 광양자설
※실험 결과 분석
①자외선과 가시광선을 지폐에 쪼였을 때 자외선을 쪼였을 때만 형광 무늬가 나타났다. 여러분도 알다시피 자외선의 진동수가 가시광선의 진동수보다 크다.
②광전 효과 실험을 통해 빛의 진동수가 문턱 진동수 이상이면 빛의 세기에 관계없이 광전자가 즉시 방출된 것을 확인했다.
이 결과로 말미암아 빛이 가지는 에너지가 진동수와 관련 있음을 짐작할 수 있다.
Q)피부가 강한 햇빛에 노출되면 자외선 때문에 피부 세포에 손상을 입는다. 적외선은 그렇지 않은데 자외선은 피부 세포를 손상시키는 까닭은 무엇일까?
아인슈타인은 빛을 연속적인 파동이 아니라 불연속적인 에너지 양자(알갱이)의 흐름이라 가정하였다.
이 에너지 양자(알갱이)를 광양자(광자)라 정의하고, 광자 1개의 에너지 E는 빛의 진동수 f에 비례한다는 식을 만들었다. 이때 비례 상수 h를 플랑크 상수라고 한다.
이에 덧붙여 아인슈타인은 전자기파가 양자화(=정수배)되어 있고 빛알이라는 기본량들로만 존재할 수 있다고 제안하였다. 그 제안에 의하면 진동수 f를 갖는 빛의 양자는 다음의 에너지를 갖는다.
E= hf (h: 플랑크 상수)
파동은 이보다 많은 에너지를 갖는다면 hf의 정수배이어야 한다. 빛은 0.6hf 또는 75.5hf와 같은 에너지를 가질 수 없다.
비유를 하자면 화폐는 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.
정리하면, 빛은 한 무리의 광자들로 이루어져 있기 때문에 빛 에너지는 광자의 수에 광자 1개의 에너지를 곱한 것과 같다. 그리고 빛의 세기는 광자의 수에 비례한다. 이 내용으로 광전 효과 실험을 해석하겠다.
①빛의 세기가 어떻든 빛의 진동수가 문턱 진동수보다 낮을 때는 광자 에너지가 금속의 일함수보다 작으므로 광전자가 방출되지 않는다.
②광자의 에너지가 금속의 일함수 이상일 때 광자의 에너지를 흡수한 전자가 즉시 방출된다.
③금속 표면에 빛을 비출 때 광자 1개는 금속 내부의 전자 1개에 흡수되어 그 에너지를 즉시 모두 전자에게 준다. 이때 광자의 에너지가 금속의 일함수(W) 이상일 때 광전자가 튀어나온다. 광자 1개는 광전자 1개와 매칭 된다는 것에 유의하라! 그리고 에너지의 이동이 찰나에 이루어지기 때문에 시간 지연 없이 광전자가 바로 튀어나온다.
④이때 빛의 세기가 셀수록 광자의 수가 많다. 이 말은 매칭 되는 광전자의 수가 많다는 것이므로 당연히 방출되는 광전자의 수도 많다.
⑤이때 방출되는 광전자의 최대 운동 에너지는 다음과 같이 정의된다.
광전자의 최대 운동 에너지는 광자의 에너지(진동수)에 의해 결정되는 거지, 빛의 세기와는 전혀 무관함을 식으로 확인하자.
4. 빛의 이중성
역학 파트 문제에서 자주 나오는 당구공이다. 입자의 대표 주자이다.
움직이는 당구공 1개가 정지해 있는 당구공 1개와 충돌한다. 이때 자연스럽게 충돌의 주체와 객체가 매칭된다. 당구공이 충돌하면 시간이 지연되는 것 없이 즉시 운동 상태가 변한다. 이와 마찬가지로 광전 효과가 일어날 때도 광자 1개가 광전자 1개와 매칭되어 즉시 반응하는 결과가 나타난다. 빛이 입자적인 성질을 가진다는 걸 의미한 대표적인 실험이 '광전 효과'이다. 이를 발견한 공로로 아인슈타인은 노벨상을 수상한다.
빛의 간섭 현상은 빛이 파동이라는 증거이고, 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. 이를 빛의 이중성이라고 한다. 빛은 파동성과 입자성을 모두 가지지만, 희한하게도 동시에 나타나지는 않는다.
5. 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 빛에너지를 전기 에너지로 직접 변환한다.
Q) 빛의 세기가 셀수록 광 다이오드에 발생하는 전류의 세기가 증가하는 이유는 무엇일까?
②전하 결합 소자(CCD): 디지털 카메라 등에서 사용되는 장치로, 광전 효과에 의해 빛 신호를 전기 신호로 변환하는 소자이다.
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 남북분단의 현실을 배경으로 국가 일급 비밀정보기관의 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 나뉘어진 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 듯 하다.
'2020 물리학I' 카테고리의 다른 글
| 역학적 에너지 보존 법칙의 다른 말 '일-에너지 정리' (0) | 2021.01.06 |
|---|---|
| [2015개정 물리학1] 정상파와 빛의 간섭 (40) | 2020.11.17 |
| [2015개정 물리학1] 파동의 간섭 (44) | 2020.11.11 |
| [2015개정 물리학1] 전자기파의 역사와 전자기파 스펙트럼 (0) | 2020.11.03 |
| [2015개정 물리학1] 전반사와 광통신 (0) | 2020.10.23 |
