빛은 입자인가 파동인가? 광전효과는 또 뭐냐?

알버트 아인슈타인의 그 유명한 상대성 이론에는 에너지(E)가 질량(m) 곱하기 광속(c)의 제곱과 같다는 유명한 방정식 E=mc²가 포함되어 있습니다. 이 방정식은 빛이 진공에서 초당 약 299,792,458m의 일정한 속도로 이동하는 전자기 복사의 한 형태라는 생각에 기반을 두고 있습니다.

 

 

 

여기서 전자기복사란 파장이 짧은 감마선부터 파장이 긴 라디오파까지를 포함하는 에너지입니다. 빛의 속도로 진행하며, 다양한 물질에 에너지를 전달하면서 다양한 반응을 일으킨다. 주파수에 따른 전자기 복사의 종류는 다음과 같습니다.

 

 

 

<라디오파, 마이크로파>

주파수가 가장 낮으며, 물질에 쬐면 전하의 이동을 유발한다. 특히 금속과 같은 전도체에서는 전하의 이동에 따른 전류가 발생하고, 금속이 전자기파를 흡수하거나 전하를 분리시켜 새로운 전자기파를 방출한다. 이 원리를 이용한 것이 TV나 라디오의 안테나이다. 또한, 전자렌지의 경우도 마이크로파가 음식물에 존재하는 물이나 지방과 같은 물질에 흡수되면서 분자의 진동을 유발해 열을 발생시키는 원리이다.

 

<적외선>

라디오파와 마이크로파보다 더 넓은 범위의 물질에 열을 발생시키고, 반대로 열을 발생시키는 물질이 적외선을 방출하기도 한다.

 

<가시광선>

사람의 망막 세포에 흡수되어 사물을 볼 수 있게 하고, 식물들의 광합성을 일으킨다. 다만, 라디오파, 마이크로파, 그리고 적외선과는 달리 진동을 통해 열을 발생시키지는 않는다.

 

<자외선>

광자가 이중결합을 한 분자에게 영구적인 손상을 가할 정도로 에너지가 높다. 사람의 피부에 흡수된 자외선은 DNA를 손상시켜 피부암을 포함한 여러 피부질환을 일으킨다. 자외선 중 가장 주파수가 높은 수준에 이르면, 전자가 원자에서 벗어날 정도의 충분한 에너지를 전달한다. 전자를 원자에서 자유롭게 할 정도의 에너지는 보통 10 전자볼트(10 eV) 정도이고, 이는 파장이 124nm보다 낮은 경우에 해당한다.

 

<X선, 감마선>

가장 주파수가 높은 전자기파로, 분자를 이온화시킬 수 있을 정도의 큰 에너지를 전달하기 때문에 이온화 복사로 부르기도 한다. 기형아 출산이나 암 발병의 주요 원인이며, X선 중 주파수가 가장 높은 부분과 감마선은 물체를 투과할 정도로 강력해 많은 의료기기에 쓰이기도 한다.

출처 : [네이버 지식백과] 전자기 복사 [electromagnetic radiation, 電磁氣 輻射] (두산백과 두피디아, 두산백과)

 

특수 상대성 이론에서 아인슈타인은 빛의 속도가 관찰자의 운동과 무관한 우주의 기본 상수라고 제안했습니다. 상수란 변하지 않고, 항상 일정한 값을 갖는 수를 말합니다. 즉, 물체가 관찰자에 대해 상대적으로 얼마나 빨리 움직이든 빛의 속도는 항상 동일하게 나타납니다.

 

빛의 속도는 불변의 상수 <출처 : https://search.pstatic.net>

 

자동차를 예를 들어볼게요. 앞 차가 시속 110km로 달릴 때 내 차가 시속 100km로 달린다면 내가 느끼는 상대방 차의 속도는 10km입니다. 이게 일반적인 상식이죠. 그러나 빛은 다릅니다. 초속 30만km 속도의 빛을 따라잡으려고 내가 초속 29만km로 달려도 빛의 속도는 초속 1만km가 아니라 여전히 초속 30만km 라는 겁니다. 일반인이 이해하기 어려운 내용이지만 이걸 넘어야 더큰 물리학의 산을 넘을 수 있습니다.

 

아인슈타인은 또한 방정식 E=hf를 통해 빛의 에너지와 운동량은 주파수 및 파장과 관련이 있다고 주장했습니다. 여기서 h는 플랑크 상수이고 f는 빛의 주파수입니다. 에너지와 주파수 사이의 이러한 관계는 광전 효과로 알려져 있으며 빛의 파동-입자 이중성을 증명하는데 결정적인 역할을 했습니다. 참고로  플랑크상수는 자연의 기본상수 가운데 하나로, 양자역학 현상의 크기를 나타냅니다. 양자 효과를 고려해야 하는 모든 양에 나타나며, 독일의 물리학자 플랑크(M. Planck, 1858-1947)가 처음 사용하였습니다.

 

 

광전효과 <출처 : https://search.pstatic.net>

 

광전효과를 좀 더 설명해보겠습니다. 물질에 빛을 가하면 물질 표면에서 전자가 방출되는 현상으로, 이 효과는 1887년 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)에 의해 처음 관찰되었고 나중에 1905년 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)에 의해 빛의 양자적 성질을 표현하는 이론의 일부로 자리잡았습니다.

 

아인슈타인의 이론에 따르면 빛은 주파수에 비례하는 특정 양의 에너지를 전달하는 광자라고 하는 작은 에너지 패킷으로 구성됩니다. 광자가 물질의 표면에 부딪히면 물질의 전자에 에너지를 전달하여 전자가 표면에서 방출된다는 이론입니다.

 

물질 표면에서 전자를 제거하는 데 필요한 에너지를 일함수라고 하며 물질에 따라 다릅니다. 광자의 에너지가 일함수보다 크면 전자는 일정량의 운동 에너지로 표면에서 방출됩니다. 광자의 에너지가 일함수보다 작으면 전자가 방출되지 않습니다.

 

광전 효과는 햇빛으로부터 전기를 생성하는 데 사용되는 광전지 및 태양광 에너지 발전장치에 사용되고 있습니다. 우리가 흔히 주변에서 보게 되는 검정색 태양광 발전 시설들이 이 이론에 기초하고 있다고 보면 됩니다. 이 이론은 가장 작은 규모에서 물질과 에너지의 운동을 설명하는 물리학의 한 분야인 양자역학의 발전에 중요한 역할을 했습니다.

 

 

 

빛에 대해 그냥 넘어갈 수 없는 뜨거운 논란이 또 있습니다. 빛은 입자일까요? 파동일까요?

 

 

 

빛은 파동-입자 이중성(wave-particle duality)으로 알려져 있으며, 입자와 파동의 성질을 모두 나타냅니다. 이것은 빛으로 여러가지 실험을 수행해보면 입자와 파동 모두의 형태를 증명할 수 있음을 의미합니다.

 

경우에 따라 빛은 간섭, 회절 및 편광과 같은 특성을 나타내는 파동처럼 동작합니다. 예를 들어, 빛이 좁은 슬릿을 통과하면 파동과 같은 특성을 사용하여 설명할 수 있는 회절 패턴이 생성됩니다.

 

어떤 상황에서 빛은 불연속적인 에너지 준위 및 운동량과 같은 특성을 나타내는 입자처럼 행동합니다. 이러한 거동은 빛의 광자가 물질의 전자에 흡수되어 특정 양의 운동 에너지로 방출되도록 하는 광전 효과와 같은 실험에서 관찰됩니다.

 

빛의 파동-입자 이중성은 가장 작은 규모에서 물질과 에너지의 거동을 설명하는 물리학의 한 분야인 양자역학의 기본 개념입니다. 그것은 양자 수준에서 입자의 거동이 우리가 거시적 수준에서 관찰하는 것과 종종 다르게 관찰될 수 있다는 사실을 반영하며 우주의 본질을 이해하는 데 중요한 의미를 갖습니다.

 

전반적으로 빛의 본질에 대한 아인슈타인과 물리학자들의 연구는 우주에 대한 우리의 이해와 기술을 혁신하는 데 도움이 되었으며 레이저, 광섬유 및 디지털 통신을 포함하여 오늘날 우리가 의존하는 많은 기술 발전의 토대를 마련했습니다.