양자역학의 등장

양자 역학이에 앞서 두 가지 중요한 발견이 선행되어야 했습니다.

첫 번째는 전자의 발견이었습니다.

1897년에 Joseph John Thomson은 음극선관에서 나오는 광선이 수소 원자보다 1000배 이상 가벼운 새로운 음전하 입자로 구성되어 있음을 관찰했습니다.

이 새로운 입자는 Thomson 자신에 의해 단순히 “소립자체”라고 불렸지만 나중에 전자로 더 일반적으로 알려지게 되었습니다.

흥미롭게도 Thomson은 당시 Kelvin의 소용돌이 원자론을 믿었습니다.

두 번째는 원자핵의 발견이었습니다.

1911년 Ernest Rutherford는 동료 학생인 Hans Geiger와 Ernest Marsden에 의해 이른바 금박 실험의 물리적 의미를 해석하는 데 성공했습니다.

호일 실험은 방사성 붕괴로 생성된 알파 입자를 금박에 쏘면 어떻게 되는지 알아보기 위한 실험이었습니다.

결과는 놀라웠습니다.

대부분의 알파 입자는 통과했지만 가끔 완전히 튕겨 나가는 알파 입자가 있었습니다.

러더퍼드에게 이 실험은 금 원자의 중심에 양전하를 띠고 금 원자 질량의 거의 대부분을 차지하는 매우 조밀한 입자가 있음을 의미했습니다.

이 입자가 원자핵입니다.

이 두 가지 통찰에 따르면 원자는 기본적으로 가벼운 전자가 무거운 핵 주위를 회전하는 일종의 “작은 태양계”입니다.

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언뜻 보기에 작은 태양계의 원자론에는 별 문제가 없어 보인다.

하지만 여기에는 사실 심각한 문제가 도사리고 있습니다.

문제는 서로 다른 원자를 어떻게 명확하게 구분할 수 있는지 명확하지 않다는 것입니다.

즉, 작은 태양계의 원자 이론에서 서로 다른 원자는 그 안에서 전자가 공전하는 원형(또는 타원) 궤도에 의해 구별된다.

그러나 실제 문제는 이것보다 훨씬 더 심각합니다.

회전 전자는 기본적으로 안테나와 동일합니다.

안테나는 전자파를 발생시킵니다.

다시 말해서. 원자의 전자는 점차 운동 에너지를 잃고 결국 핵으로 붕괴됩니다.

문제는 원자의 전자가 매우 작은 궤도에서 믿을 수 없을 정도로 빠르게 회전하기 때문에 더 빨리 핵으로 환원된다는 것입니다.

뉴턴 역학과 전자기학의 고전 이론에 따르면 전자는 급속히 원자핵으로 환원됩니다.

놀라지 마세요. 전자가 원자핵으로 붕괴하는 데 걸리는 시간은 약 10피코초 또는 1000억분의 1초입니다.

잠깐만, 어떻게 태양 주위를 공전하는 행성이 문제 없이 오랫동안 궤도를 유지할 수 있을까요? 그 이유는 행성에서 방출되는 중력파가 매우 약하기 때문에 실질적으로 에너지 손실이 없기 때문입니다.

원자는 얼마나 안정한가? 문제 해결의 열쇠는 수소 원자가 방출하는 빛의 스펙트럼과 파장으로 표현되는데 여기서 스펙트럼 아래의 숫자는 빛의 파장을 나타내며 nm는 10억분의 1미터를 나노미터로 의미한다.

참고로 빛의 파장은 주파수에 반비례한다.

당시 관찰된 실험의 결과로 숨겨졌다.

실험 결과 가열된 수소 원자에서 방출되는 빛은 몇 가지 정의된 불연속적인 색상으로만 나왔다.

수소 원자가 방출하는 빛 중에서 가시광선 영역에 속하는 빛의 분광 스펙트럼과 파장을 나타낸다.

불연속적인 색으로만 빛이 나온다는 것은 수소 원자 속 전자의 에너지가 연속적이지 않고 산란된다는 뜻이다.

왜?

우선, 빛의 색은 주파수에 의해 결정됩니다.

또한 아인슈타인의 광전 효과 이론에 따르면 빛의 주파수는 에너지에 비례합니다.

다시 말해서. 불연속적인 빛의 색은 빛의 에너지가 불연속적이라는 것을 의미합니다.

그러나 가열된 수소 원자가 빛을 내는 이유는 전자가 고에너지 상태에서 저에너지 상태로 떨어질 때 발생하는 에너지 차이가 빛으로 바뀌기 때문이다.

요약하면, 연속적인 빛 색상은 이 에너지 차이가 불연속적이라는 것을 의미합니다.

즉, 수소 원자의 전자 에너지는 연속적이지 않고 서로 떨어져 있어야 합니다.

1913년에 Niels Bohr는 수소 원자에서 산란된 전자 에너지를 설명하기 위한 가설을 세웠습니다.

보어의 가정은 전자의 각운동량이 플랑크 상수의 정수배로 양자화된다는 것이었습니다.

참고로 플랑크 상수는 보통 기호로 표시하며 6.6260701510-4J로 정의한다.

단위는 에너지 단위인 줄(joule)입니다.

J와 시간 단위인 초의 곱입니다.

여기서 양자화란 어떤 물리량이 어떤 양자역학적인 이유로 불연속적인 값을 갖는 것을 의미합니다.

그러면 전자의 각운동량이 양자화된다는 것은 무엇을 의미합니까? 간단히 말해서 각운동량은 입자가 회전할 때 회전 중심으로부터의 거리, 즉 궤도 반경, 입자의 속도 및 질량의 곱입니다.

질량이 일정하기 때문에 각운동량이 양자화되는데, 이는 입자의 속도와 궤도 반경의 곱이 양자화됨을 의미합니다.

반면 전자의 에너지는 운동에너지와 위치에너지의 합으로 운동의 법칙에 의해 운동에너지와 위치에너지가 연결된다.

복잡한 계산이 필요하지만 이것은 궤도 반경과 전자의 속도가 어느 정도 관련되어 있음을 의미합니다.

정리하면 각운동량을 양자화하면 궤도반지름과 전자의 속도의 곱이 양자화된다.

운동법칙에 기초한 관계식을 더하면 원형 경로의 반지름과 전자의 속도가 각각 양자화된다.

또한 그렇게 되면 전자의 에너지가 양자화됩니다.

놀랍게도 이러한 양자화된 전자의 에너지는 가열된 수소 원자에서 방출되는 빛의 색상과 정확히 일치할 수 있습니다.

보어의 원자모형이라 불리는 성공적인 원자모형이 드디어 처음 등장한 순간이다.

양자 역할

Quantum Quantum의 역할이 대세입니다.

먼 미래라고 여겼던 양자정보통신은 언론에 자주 등장했고, 정부는 양자기술에 대한 대규모 투자를 위한 특별법을 발포했다.

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