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테니스공의 파장(m)물리과학 2024. 2. 23. 22:57
1905년 발표한 아인슈타인의 광전효과를 설명한 논문은 이전에는 순수한 파동이라고 생각해왔던 빛이 '광자'라는 입자의 성질도 가지고이었음을 보여주었다.
테니스공의 파장(m)
1. 물질파
1923년에 프랑스의 젊은 귀족 물리학자 루이 드브로이 Louis de Broglie.1892-1987는 전통적으로 입자로 취급해온 전자와 같은 입자들도 파동의 성질을 가지고 있을지 모른다는 생각을 했다. 또 입자도 파동의 성질을 가지고 있다면 입자 역시 진동수나 파장과 같은 파동의 성질을 가지고이었을 것이라고 생각했다.
박사 학위 논문에서 그는 '물질'의 파장을 물체의 속도와 질량 그리고 플랑크상수로부터 계산할 수 있습니다.고 제안했다. 그렇지만 그의 제안이 받아들여지기 위해서는 전자와 같은 입자도 빛과 같이 행동합니다.는 것을 보여주는 실험 결과가 필요했다.
2. 시험받는 드브로이의 물질파 이론
물질을 이루는 원자들이 결정구조일 때는 전자기파의 일종인 엑스선을 산란시킬 수 있다. 즉. 금속 결정에 엑스선을 쪼이고 부근에 형광 스크린을 놓아두면 결정격자를 이루고 있는 원자에 의해 산란된 엑스선이 밝고 어두운 고리가 반복적으로 나타나는 회절 무늬를 만드는 것을 볼 수 있다. 전자를 이용한 실험에서도 같은 결과를 얻을 수 있을까
3. 루이 드브로이
일반적으로 물리학자가 연구 업적을 인정받아 노벨상을 수상하기까지는상당히 오랜 시간을 기다려야 한다. 그러나 루이 드브로이는 입자-파동 이중성에 대한 논문을 발표하고 5년 뒤 노벨상을 받았다. 프랑스 디페에서 귀족 집안의 아들로 태어난 드브로이는 가문의 전통에 따라 외교관이 될 생각으로 역사학을 공부했지만 물리학으로 전공을 바꿔 1913년에 학사 학위를 받았다. 그 후 제1차 세계대전 동안에는 에펠탑에 주둔해 있던 프랑스 육군 무선국에서 일했다. 전쟁이 끝난 후 물리학으로 돌아온 드브로이는 그의 이름을 역사에 기록하게 된 물질과 이론을 제안했다.
1927년 뉴욕에 있는 벨연구소의 클린턴 데이비슨Clinton Davisson과 스터 서머 Lester Germer는 전자를 이용한 실험으로도 같은 회절 무늬를 들어낼 수 있음을 보여주었다. 이는 전자가 순수하게 입자의 성질 만지고 있다면 불가능한 결과였다. 이렇게 해서 입자도 파동의 성질을 지고 있습니다.는 것이 밝혀졌다. 드브로이가 제안한 식을 이용하다 보면 질량이 57.5g이고 속도가 60km/h 인 테니스공의 파장은 7 × 10m다. 이는 아주 작은 값이어서 실험을 통해서는 확인할 수 없다.
테니스공을 비롯해 우리 주변의 물체가 가지고 있는 파동의 성질을 우리가 감지할 수 없는 것은 이처럼 파장이 작기 때문이다. 회절 무늬를 관측할 수 있기 위해서는 슬릿 간격이 물체의 파장과 비슷해야 한다. 긴 파장을 가진 음파는 방문을 통해서도 회절이 일어나지만 파장이 짧은 빛의 회절 이방 문에 의해 일어나지 않는 것은 이 때문이다. 우리가 방문을 통해 들어오거나 나갈 때 회절 현상이 일어나지 않는 것도 이 때문이다. 천천히 걷는 사람의 드브로이 파장은 빠르게 날아가는 테니스공의 파장보다 훨씬 짧다.
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