닐스 보어와 고전 양자론

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닐스 보어와 고전 양자론

본문내용

것처럼 이번에도 에너지 보존법칙을 파기하려고 했다. 하지만 파울리는 새로운 중성 입자를 가정함으로써 에너지 보존법칙을 유지했다. 1930년 12월 파울리는 튀빙겐에서 열리는 물리학회에 바로 이 새로운 중성 입자를 가정하는 편지를 보냈다. '친애하는 방사성 신사 숙녀 여러분'(Liebe Radioaktive Damen und Herren)이라는 말로 시작하는 이 편지에서 파울리는 에너지 보존 법칙을 유지하기 위해 스핀이 1/2이고 빛과는 구별되는 새로운 중성입자를 가정했다. 파울리는 이 입자를 '중성자'(Neutron)이라고 불렀는데, 이 입자의 질량은 전자의 크기 정도로 양성자 질량의 1 % 이내가 된다고 생각했다.
1932년 채드윅은 양성자와 질량이 비슷한 새로운 중성 입자를 발견했다. 이리하여 파울리가 예언한 중성자는 채드윅이 발견한 중성입자와 구별하기 위해 1934년 페르미는 이탈리아 이름인 뉴트리노(Nutrino)라는 새로운 이름을 제안했다. 파울리가 에언한 이 중성미자는 1956년 로스 앨러머스의 코원(Clyde L. Cowan)과 라이니스(Frederick Reines)에 의해 마침내 실험적으로 발견되었다. 1956년 6월 15일 파울리는 코원과 라이니스로부터 다음과 같은 편지를 받았다. "우리는 양성자 역 배타 붕괴를 관찰하여 분열된 조각으로부터 뉴트리노를 분명히 관측했다는 사실을 당신에게 알려주게 되어 기쁘게 생각합니다. 관찰된 단면적은 예측된 값인 6·10－44 cm과 잘 일치합니다." 이 편지는 파울리의 놀라운 통찰력에 대한 찬사와 함께 그에게 확실한 학문적 승리를 가져다주었다.
파울리와 양자역학의 해석
파울리는 1931년 결혼에 실패한 뒤 심한 좌절에 빠졌다. 1931년 겨울 그는 최악의 상태에 빠졌는데, 이때 파울리는 유명한 정신분석학자 카를 구스타프 융에게 찾아갔다. 이 만남은 훗날 둘 사이의 과학적 접촉으로 이어졌다. 파울리는 측정 행위가 대상에 영향을 미치는 양자역학적 과정을 관찰자의 주관적이고 심리적 행위가 대상에 영향을 미치는 것으로 해석했다. 그는 양자역학이 지니는 비결정론적 성격을 종교에서 연금술적 상징들이 표출되는 집단 무의식을 다룬 칼 융의 정신분석학과 연결시켰다. 즉 관찰자의 주관적 행위가 대상에 영향을 미치는 것은 마치 소우주인 인간이 정신적으로 만다라(mandala)에 들어가서 우주 생성에 개입하는 것과 같다는 것이다.
양자역학적 대상에 관찰자의 측정행위가 영향을 미치는 전체성을 논함에 있어서 보어는 관찰을 원자계와 측정 도구와의 상호작용으로 보았다. 하지만 파울리는 측정도구를 관찰자의 감각기관이 확장된 것으로 보면서, 관찰을 원자계와 관찰자의 의식과의 상호작용으로 간주했다. 파울리는 물질과 정신의 엄격한 구별을 강조했던 데카르트적 이원론의 견해와는 달리 실재는 물리적 측면과 정신적 측면을 동시에 포함하는 전체로서 이해되어야만 한다고 생각했다. 즉 물질(matter)과 정신(psyche)은 실제에 대한 상보적 표현이며, 끊임없이 서로 영향을 미치고 있다는 것이다. 파울리의 이런 생각은 연금술적 전통과 불교적 세계관과 깊은 친화력을 지니고 있다고 하겠다. 만년에 정신과 물질의 문제에 몰두한 파울리는 1958년 12월 15일 스위스 취리히에서 세상을 떠났다.
Energy Band
에너지대(帶)라고도 한다. 결정 내 전자의 에너지준위는 수많은 단위가 아주 좁은 공간에 배치되어 한 집단을 이루고 있고, 집단의 공간에는 빈틈이 있다. 한 집단을 이룬 에너지준위를 에너지띠라 하고, 에너지준위가 없는 빈틈을 금지띠[禁止帶]라 한다. 고립원자의 경우에는 전자가 한 궤도를 그리며 일정한 에너지준위에 있다. 이러한 원자가 모여 결정을 이루면 각 원자의 궤도는 이웃 원자에까지 뻗치게 되며, 결정 전체에 뻗친 궤도는 원자의 수만큼 생긴다. 이들 궤도의 에너지는 아주 조금씩만 다르고 에너지준위는 한 집단을 이룬다. 각 에너지준위의 집단인 에너지띠가 어느 원자궤도로 이루어졌느냐에 따라 s띠, p띠 등으로 구별한다. 에너지띠는 빛의 흡수 및 방출을 광학적 ·X선적으로 직접 관찰할 수 있고, 사이클로트론공명이나 양전자 소멸 등에 의해 직접 확인할 수 있다. 또 비열이나 자성 등을 통해서도 어느 정도 간접적으로 조사할 수 있다.
결정과 같이 원자가 규칙적으로 배열되어 있는 경우, 이들 궤도는 각각 일정한 운동량을 가지며(이것을 블로흐궤도라 한다), 에너지는 운동량의 함수가 된다. 에너지띠와 에너지띠 사이에 있는 틈새 및 에너지띠가 전자들에 의하여 채워져 있는 정도는 고체의 전기적 성질을 결정할 뿐 아니라 고체의 여러 성질들과도 중요한 관계가 있다. ① 도체 : 고체 나트륨 조각에 전기장을 가하면 전자들은 본래의 에너지띠 내에 남아 있는 동안에 쉽게 부가적인 에너지를 얻는다. 부가적인 에너지는 운동에너지의 형태로 주어지며 운동하는 전자들은 전류를 형성한다. 이런 물체를 전도체라 하며, 부분적으로 채워진 에너지띠를 가지고 있다. 한 에너지띠에 전자가 중간쯤까지 채워져 있으면 거기에 페르미면(面)이 생겨 전기가 잘 통하게 되기 때문이다. ② 반도체 : 실리콘은 다이아몬드 구조를 닮은 결정구조를 가지고 있으며 다이아몬드처럼 채워져 있는 가전자띠의 꼭대기와 비어있는 전도띠가 약간의 간격으로 분리되어 있다. 실리콘은 낮은 온도에서는 전도체로서 다이아몬드와 비슷한 성질을 지니지만 실온에서는 실리콘이 가진 전자들 중 몇 개는 금지된띠를 뛰어 넘을 수 있기 때문에 충분한 열에너지를 가지고 있어서 금지된띠를 넘어 전도띠로 들어갈 수 있다. 이처럼 전도체와 절연체의 사이에 있는 물질을 반도체라 한다. ③ 부도체(절연체) : 다이아몬드는 전자들로 완전히 채워진 하나의 에너지띠가 있고 그 위에 비어 있는 띠(전도띠)가 6eV 간격으로 떨어져 있다. 전자는 금지된띠 내의 에너지를 가질 수 없기 때문에 전자가 자유롭게 이동해 갈 수 있는 전도띠로 들어가기 위해서는 다이아몬드 내의 전자에 적어도 6eV의 부가적인 에너지를 제공해야 한다. 가전자들은 실온에서는 그 간격을 뛰어 올라갈 수 있는 충분한 열 에너지가 없다. 이처럼 전기의 전도도가 나쁜 절연체를 부도체라 한다.

키워드

닐스 보어와 고전 양자론,   물성 ,   전기