π-wave란 무엇인가?

목차

π-wave란 무엇인가?
물질파의 개념
물질파를 유도하는 방법 개발
입자의 파동성
프랑스의 물리학자 루이 드 브로이(Louis de Broglie; 1892~1987)
‘질량+에너지 보존의 법칙’
‘모든 입자는 파동적 성질을 가진다.’
물질파의 이론에서 파동 역학으로

본문내용

와 같은 이제까지는 입자로만 여겨진 것도 파동적 성질을 가지고, 그 입자적 특징과 파동적 특징 사이에 위의 식과 비슷한 λ=h/p, p=mν의 관계가 성립한다고 생각하였다. 단 이 경우의 입자의 속도는 광속 c가 아닌 ν이고, p=mν는 이 입자의 운동량을 나타낸다. 이처럼 생각했을 때의 파동을 그는 ‘물질파(物質波)’라고 불렀다. 따라서 전자에 대한 파동은 ‘전자파’가 되는 것이다.
그 무렵에는 이미 전자의 질량 m이 9.1×10-28g, 전자가 가지는 전기량이 -1.6×10-19C(쿨롬)임이 알려져 있었고, 그에 따라 전위차 V볼트로 전자를 가속시켰을 때 전자가 얻는 속도 ν가 어느 정도나 되는가를 계산하거나 측정할 수 있었다. 그래서 그 운동량 p=mν를 계산하고, 이로부터 전자에 대한 물질파(전자파)의 파장 λ를 계산할 수도 있었다. 실제로 계산을 해 보면, 전자를 수천 볼트의 전위차로 가속했을 때의 전자파의 파장은 X선과 같은 정도의 1Å(옹스트롬), 즉 10-8cm 정도가 된다. 이 정도의 파장이라면 실제로 측정하여 전자파의 존재를 확인할 수도 있을 것이다. 질량이 전자의 약 1800배나 되는 양성자에서는 물질파의 파장이 짧아지고, 실제의 측정에 의하여 양성자에 대한 물질파의 존재를 확인하기는 어려울 것이라고 드 브로이는 추론하였다.
전자 빔 실험으로 물질파가 실증되다.
프랑스의 물리학자 랑주뱅(P. Langevin;1872~1946)이 보내 온 드 브로이의 논문 원고의 필사본을 읽은 아인슈타인은, 재빨리 이 새로운 이론에 대한 가치를 인정하였다. 그리고 이 사실을 당시 괴팅겐에 있던 독일의 물리학자 보른(M. Born;1882~1970, 1954년에 노벨 물리학상 수상)과 취리히에 머물던 오스트리아의 물리학자 슈뢰딩거(E. Schro- dinger;1887~1961)에게 전하였다. 나중에 이야기하겠지만 이 논문을 읽고 감격한 슈뢰딩거는 물질파의 생각을 발전시켜, 그의 ‘파동 역학’을 전개한 것이다.
드 브로이의 물질파 이론은, 1927년에는 미국의 물리학자 데이비슨(C. J. Davisson; 1881~1958, 1937년에 노벨 물리학상 수상)과 거머(L. H. Germer;1896~1971) 그리고 영국의 물리학자 톰슨(G. Thomson;1892~1975, 1937년에 노벨 물리학상 수상)에 의해, 1928년에는 일본의 기쿠치 세이시(菊池正士;1902~1974)에 의하여 실험적으로 확인되었다. 그들은 모두 결정에 의한 전자파(전자 빔)의 회절을 사용하여 전자파의 파장을 정하였다. 단 회절은 파동이 그림자 부분으로 돌아 들어가는 성질이 있고, 파장이 길수록 회절성이 강하다. 실험에 의하여 결정된 전자파의 파장은 드 브로이의 예언과 완전히 일치하여 그의 이론이 옳았음이 확인된 것이다.
1913년 덴마크의 물리학자 보어(N. Bohr;1885~1962, 1922년에 노벨 물리학상 수상)가 영국의 물리학자 러더퍼드(E. Rutherford;1871~1937, 1908년에 노벨 화학상 수상)의 원자 모형을 사용하여 수소 원자의 스펙트럼을 설명하였다. 러더퍼드의 수소 원자 모형에서는 전자의 약 1800배의 질량을 가진 양성자로 이루어진 원자핵 주위를 전자가 운동한다. 앞에서 말한 것처럼 전자가 가지는 전하(전기량)는 -e=-1.6×10-19C이다. 이에 대한 양성자의 전하는 +e이다. 원자핵의 양전하와 전자의 음전하 사이에 작용하는 전기력이 전자 운동의 원동력이다. 이 운동력으로 태양 주위를 도는 지구처럼 전자는 원자핵 주위를 거의 원형의 궤도를 그리며, 거의 등속으로 운동한다.
등속이기는 하지만 운동 방향이 끊임없이 바뀌기 때문에 전자의 등속 원운동에는 가속도가 수반된다. 가속도 운동을 하는 전자는 밖을 향하여 전자기파를 복사할 것이다. 그러나 보어는 전자가 어떤 안정 궤도상을 도는 경우에는 전자기파를 내지 않고, 하나의 안정 궤도에서 원자핵에 의하여 가까운 또 하나의 안정 궤도로 옮길 경우에 한하여 전자가 전자기파를 복사한다고 생각하였다. 이것 역시 기묘한 가정이었지만, 이 가정을 사용하면 수소 원자에서 나오는 스펙트럼을 멋지게 설명할 수 있다는 것을 보어는 밝힌 것이다.
물질파의 이론에서 파동 역학으로
1926년에 슈뢰딩거는 드 브로이의 전자파 생각을 응용하면, 보어의 기묘한 가정을 쓰지 않아도 전자의 안정 궤도를 설명할 수 있다는 것을 밝혔다. 전자는 파동이고, 앞에서 말한 것처럼 그 파장 λ는 λ=h/mν에 의하여 주어진다. 반지름 r의 원형 궤도의 원둘레는 2πr이다. 이 2πr이 전자파의 파장 λ의 정수배인 경우에 한하여 그 원둘레 위에서 전자파의 정상 진동이 일어난다. 정상 진동은 에너지를 복사하지 않으므로, 이 원형 궤도는 보어가 말하는 안정 궤도가 될 수 있다. 슈뢰딩거의 이 생각은 널리 인정을 받았고, 그의 ‘파동 역학’ 연구에 대하여 1933년에는 노벨 물리학상이 수여되었다. 물론 그보다 앞서 1929년에 ‘물질파’ 연구로 드 브로이는 노벨 물리학상을 받았다.
1926년과 1927년에 드 브로이는 파리 대학 이학부에서 자유 강의를 하였다. 이 무렵부터 그의 연구에 대한 평가가 높아졌기 때문에 프랑스 정부도 그를 그대로 내버려 둘 수 없게 되었다. 이렇게 해서 그는 1928년에 신설된 앙리 푸앵카레 연구소에 정식 자리를 얻어, 이론 물리학을 연구하였다. 1932년에는 파리 대학 이학부에서 이론 물리학 교수가 되어, 1962년에 70세로 퇴직할 때까지 근무하였다. 1945년부터 프랑스 원자력 위원회의 기술 고문도 지냈다. 드 브로이는 1987년에 94세로 세상을 떠났다.
예컨대 어떤 사람은 전자를 입자라고 하고, 어떤 사람은 파동이라고 하였다. 그러나 그것은 전혀 불가사의한 일이 아니다. 가설이나 이론은 만화가가 그린 어떤 인물의 캐리커쳐와 같은 것이며, 그들은 그것을 제안한 사람의 개성을 강하게 반영하고 있다. 자연 과학의 특징은 실증에 있으며, 실험이 그 모두를 증명한 경우에는 그 어느 쪽이나 옳다. 그들은 각각 사물의 실제 모습 가운데 한 면을 그리고 있다. 드 브로이가 생각한 물질파는 그 좋은 보기가 되는 것이다.

키워드

물질파,   드브로이,   전자의 회절,   입자의 파동성,   파동역학