[시리즈 연재] 1-4: 양자역학을 다룰 계획은 없었는데...

어떻게 빛으로 물질의 농도를 측정할까요?! 그건 다음 편에서 다룰 노리시와 조지 포터의 업적과 매우 큰 관련이 있기 때문에 궁금하시더라도 조금만 참아주시길 바랍니다. - 1-3편

라고 써놓고 열심히 1-4편을 쓰다 보니 분량 조절에 실패했습니다.

<대략 저의 멘붕 상황 by Gemini>

저는 만프레드 아이겐이 빛을 이용해서 물질의 농도 변화량을 관측하는 것, 그리고 노리시와 조지 포터가 빛을 이용해서 반응을 시작하고 물질의 농도 변화량을 관측하는 것에 대해 말씀드리기 위해 어쩔 수 없이 '빛'에 대해서 이야기를 조금 해야 될 것 같습니다. <찰나의 빛으로 영상을 찍는 과학 이야기> 가 시리즈 제목이니 피하고 싶었지만 피할 수 없는 것 같습니다. 왜 피하고 싶냐고 물으시면,

양자역학 얘기를 안 할 수 없기 때문입니다...

그래도 시리즈 언젠가 다룰 내용이었고 지금 다루어 두면 나중에 연재하기에 편해질 것 같아서 아주 간단히 다뤄보도록 하겠습니다!

그 전에 빛에 대해 아주 짧은 내용을 알려드리려고 합니다. 속도는 m/s 즉, 단위 시간에 이동한 거리입니다. 빛의 색깔은 보통 '파장' 으로 표현하는데, 파장 한 파형의 길이입니다. 속도는 이동한 거리(파장)를 시간(주기)으로 나눈 값입니다. 빛은(진공에서) 속도가 일정하므로, 파장이 달라지면 주파수도 함께 달라집니다. 그래서 파장이 달라지면, 일정한 속도로 가는 빛은 같은 시간에 빠르게 진동해야 하므로 주기가 짧아져야 합니다. 키 큰 사람과 키 작은 사람이 같은 속도로 달리려면 키 작은 사람이 빠르게 발을 움직여야 되는 것과 비슷하다고 생각하시면 됩니다. 1초에 빛이 진동하는 횟수를 '주파수' 혹은 '진동수'라고 합니다. 그래서 이 빛의 진동수를 파장과 곱하면 빛의 속도가 구해집니다. 이건 '빛'에 대해서 적용되는 것이 아니라 '파동'에 공통적으로 적용되는 것입니다.

<인포그래픽 by Gemini>

이 내용을 염두에 두시고 이제 양자역학에 아주 살짝 혀만 가져다 대보겠습니다!

1-2편에서 물질 내부 에너지는 '연속적이지 않고 불연속'적이며 이를 '양자화'되어 있다고 말씀드렸습니다. 그럼 그 불연속적인 에너지, 양자화의 시작은 어딜까요?

<노벨상 공식 홈페이지>

막스 플랑크는 1918년 노벨 물리학상을 "에너지 양자(energy quanta)의 발견을 통해 물리학 발전에 기여한 공로"를 인정받아 수상했습니다.

플랑크의 업적에 대해 자세히 설명하면 너무 길어지므로 핵심적으로 그가 제안한 아이디어를 살펴보겠습니다.

철을 아주 뜨겁게 달구면 붉게 빛나다가, 더 뜨거워지면 하얗게 변하는 것을 보신 적 있나요? 옛날부터 사람들은 이 빛의 '색깔'이 '온도'와 관련이 있다는 것을 알았습니다. 이 뜨거운 물체에서 나오는 '빛'을 분석하려는 시도가 바로 양자역학의 출발점이었습니다.

<이해를 돕기 위한 사진 by Gemini>

플랑크는 자신의 실험 결과를 설명하기 위해서 모든 빛을 흡수하는 물체(흑체)에 열을 가했을 때 나오는 빛 에너지가 '양자화'되어 있다는 개념을 도입합니다. 그는 실험에서 관측되는 빛 에너지가 빛의 진동수(색깔)와 특정 상수(플랑크 상수)의 곱의 정수배로 표현된다고 설명했습니다. 즉, 물질과 빛이 에너지를 교환할 때 진동수에 비례하는 어떤 '뭉텅이' 단위가 존재한다고 가정한 것이죠. 당시에 빛은 ...