양자역학의 태동 - 플랑크 상수
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- Опубліковано 20 вер 2024
- 흑체복사 문제의 해결책으로 막스 플랑크가 발견한 플랑크 상수는 양자역학의 태동이라 할 수 있습니다.
전자기파의 에너지가 연속적이 아니라 플랑크 상수에 진동수를 곱한 값의 정수배로만 존재한다는 사실에서 광자의 개념이 탄생하고 이후 양자역학으로 확대됐죠.
플랑크 상수는 우주와 시공간을 이해하는 데 중요한 플랑크 단위의 출발점이기도 합니다.
플랑크 상수의 발견 과정과 개념을 영상에서 확인해 보세요.
[상세 소개]
플랑크 상수는 자연의 기본 상수이며 양자역학의 출발점 중 하나입니다.
플랑크라는 이름은 독일 과학자 막스 플랑크에서 유래되었습니다.
플랑크 상수는 에너지를 의미하며 값은 약 6.6 곱하기 10의 마이너스 34승 줄입니다.
이 플랑크 상수가 등장하는 과정을 통해 상수의 의미를 살펴보겠습니다.
물체는 기본적으로 열을 발산하는데 다름 아닌 에너지를 방출하는 것이죠.
이것을 복사라고 하는데, 복사의 정체는 전자기파, 즉 빛입니다.
전자기파는 파동이므로 파장과 진동수 등 파동의 특징을 따릅니다.
파장은 파동의 꼭지와 꼭지의 거리를 말합니다.
진동수는 단위 시간 동안 진동한 횟수인데,
같은 자리에서 꼭지가 다시 꼭지가 되는 것이 1회 진동이죠.
노란점이 1회 진동하는 동안 빨간점은 파장의 거리를 이동합니다.
그래서 진동수는 단위 시간 동안의 파장 갯수로 볼 수도 있습니다.
파동의 속도를 아는 경우 파장 갯수는 속도를 파장으로 나누면 됩니다.
결국 진동수는 파동의 속도 나누기 파장이 됩니다.
그리고 전자기파는 진동수를 주파수라고 합니다.
전자기파의 주파수가 크면 파장은 짧다는 의미이고 파동의 에너지는 크다는 의미입니다.
다시 물체의 복사로 돌아가보겠습니다.
과학자들은 물체의 복사를 연구하기 위해 빛을 100% 흡수하는 이상적인 물체를 상정했습니다.
이 물체를 흑체라고 하는데요, 열 방출도 대류나 전도 없이 오직 복사만으로 이루어지죠.
이 흑체의 복사 에너지 방출은 당연히 파장이 짧아지면 에너지가 커집니다.
그런데 고전 이론은 실험 결과와 달리 자외선의 파장에서 에너지가 무한대가 됩니다.
실험과 이론이 달랐고 무한대라는 것은 이론이 틀렸다는 점을 시사합니다.
이것을 흑체 복사 문제 또는 자외선 파탄 문제라고 합니다.
막스 플랑크 이전의 고전 이론은 에너지가 연속적으로 존재한다고 생각했습니다.
하지만 플랑크는 전자기파의 에너지는 플랑크 상수에 주파수를 곱한 값의 정수배만 가능함을 알아냈습니다.
E=nhv
전자기파의 에너지는 연속적인 것이 아니라 주파수에 플랑크 상수를 곱한 단위로만 존재한다는 의미입니다.
이 단위가 되는 에너지의 덩어리가 광자의 개념입니다.
결국 플랑크 상수는 에너지의 최소 단위라고 볼 수 있으며 광자는 그것을 자기 주파수만큼 가지는 셈이죠.
물체가 전자기파를 흡수, 방출한다는 것은 원자의 전자가 광자를 흡수, 방출한다는 의미입니다.
전자는 원자핵 주위에서 에너지 상태에 따라 가깝거나 먼 궤도에 존재하는데요,
광자의 에너지를 흡수하면 올라가고 방출하면 다시 내려가는 것입니다.
그리고 당연히 플랑크 상수에 주파수를 곱한 광자의 에너지 단위로만 변합니다.
그런데 플랑크 상수는 대체 왜 이 값일까요?
그 이유는 아직 아무도 모릅니다.
사실 우리 우주가 그렇게 만들어져 있기 때문인데요,
플랑크 상수를 자연의 기본상수라고 부르는 이유입니다.
앞으로 플랑스 상수가 이론적으로 유도되기를 기대해 보겠습니다.
시험공부하다가 이해 안되서 왔습니다. 직관적인 그림과 차분한 설명으로 인해서 1시간동안 막혀있던 제 뇌의 똥이 단 4분만에 내려가는 기적을 경험했습니다!! 정말 도움 많이 되었습니다. 감사합니다!
심플한 설명 감사합니다.
이해하기 쉬운 설명입니다
좋은 자료 많이 오려주세요.
공부하는데에 정말 많은 도움이 되었습니다 감사합니다!!!
도움이 되셨다니 기쁩니다. 감사합니다~
우와 내용 너무 신기해요!! 플랑크상수는 어떻게 알아낸건지 궁금했는데 이런 과정이었군요😮😮
진동, 파동, 파장 나이 먹고 이제서야 이해되네요 TT
감사합니다
잘 배우고 갑니다~~
감사합니다~~ ^^
광자와 전자기파는 동일 실체인가요?
네. 하지만 빛의 입자성과 파동성이 동시에 나타날 수는 없습니다. 빛은 어떨 때는 광자이고 또 어떨 때는 전자기파이지만 둘이 동시에 존재할 수는 없는거죠
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