[010-02] 파동에 대한 몇 가지 이야기

[010-001] 파동....파동...

참 여러모로 공부하는 사람 어렵게 만드는게 이 "파동" 이라는 단어다. 상대론 이야기를 할 때는 대부분 빛의 속도에 관련된 내용들이라 그래도 파동이냐 입자냐 이런 얘기를 할 일이 거의 없는데, 당장 양자역학에 대한 이야기를 할려니 도무지 파동에 대한.. 그리고 주파수, 진동수, 파장... 이런 얘기를 전혀 안하고 내용만 쓰는건 좀.. 너무 불친절한게 아닌가 하는 생각이 들어서 아주 기본적인 것 몇가지만 적어놓고자 한다.

 

 

[010-001-01] 다른 사이트에서는 어떤 이야기를 하는지 먼저 보자.

네이버에서 "파동"을 검색하면, 다음 내용이 나온다.

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3537331&cid=60217&categoryId=60217

파동

네이버에서 정의하는 파동은, 어떤 한 곳의 에너지가 흔들림을 통해 다른 곳으로 전달되어 나가는 것 이라고 한다.

 

다음은 위키피디아에서 "wave" 를 검색한 내용이다.

https://en.wikipedia.org/wiki/Wave 

Wave - Wikipedia

위키피디아에서 정의하는 수학이나 물리학과 관련된 분야에서의 파동은 다음과 같은데,

In physics, mathematics, and related fields, a wave is a disturbance (change from equilibrium) of one or more fields such that the field values oscillate repeatedly about a stable equilibrium (resting) value.

두꺼운 부분만 보면, 하나 이상의 필드의 교란 (평형상태에서의 변화) 정도로 이해 할 수 있겠다.

 

 

[010-001-02] 양자물리학과 파동

고전물리에서 물질세계는 크게 두 가지로 이루어져 있었다. 물체(입자) 와 파동으로.

입자는 말 그대로 눈에 보이는 "덩어리" 여서 비교적 다루기가 쉬웠다. 던져보고, 받아보고, 쏴보고... 그리고 가장 대표적인 파동이 빛 이었다. 물론 위키피디아의 사진처럼 수면의 움직임이나 소리도 모두 파동이지만, 소리나 빛은 다루기가 너무 어려웠을거다. 눈에 보이지도 않고, 만질수도 없고, 그러니 딱히 뭔가 관측이나 측정을 하기도 어렵고..

이렇게 그냥 완전히 다른 존재였던 입자와 파동이 현대물리 특히 양자물리의 개념이 시작되면서 별개가 아닌게 된다. 분명히 입자 (덩어리) 라고 모두가 알고있던 존재가 파동을 다룰때만 나타나던 특징을 보이게 된다든지, 빛과 같이 완전히 파동이라고 생각하던 존재가 마치 하나의 입자처럼 움직인다든지 하는 현상들을 "보게" 된 것이다.

물론, 그럼 현상을 보게된 것이 먼저냐, 개념적으로 도입한게 먼저냐 하는 질문도 있을 수 있지만, 개념이 먼저 도입되었다면 관측으로 증명해야 하고, 관측이 먼저 되었다면 그걸 이론적으로 기술 해야만 하는것이 과학자들이 알아서 할 테니까 여기서는 어떤게 먼저인가를 구분하기 보다는 1900년이 되면서 관측과 개념의 도입이 동시에 일어났다고 하자.

이런 상황이 벌어지게 되니, 학교에서 배운 원자 핵 주위를 돌고있는 전자는 더 이상 입자로서만 존재하지 않고, 오늘같은 날 창문을 통해 들어오는 햇살도 더 이상 파동으로서만 움직이지 않게 된 것이다.

 

 

[010-001-03] 파동을 쓰기 (write down)

 

https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_spectrum

 

파동을 기술하는데 필요한 단위들과 각 영역의 파장을 우리가 활용하는 분야까지 위 그림에 다 나와 있다.

여기서는 그림의 맨 위 가운데에 있는 단어 두 개 - Fraquency 와 Wavelength - 만 알아보자. 그리고 이 두 가지가 파동을 특정하는 가장 대표적인 단위다.

 

Frequency = 진동수 = 주파수 = [Hz] = [/s] = f 로 표기

말 그대로 초당 진동 횟수 이다.

비오는 날 자동차 와이퍼가 움직이는걸 생각해보자. 원래 위치에서 유리를 닦고 다시 원래 위치로 돌아오는데 1초가 걸렸다면, 와이퍼의 진동수는 1 이다.

비가 많이 와서 좀 더 빨리 와이퍼를 움직인다면, 1초에 두번 유리를 닦는다면, 와이퍼의 진동수는 2 가 된다.

위 그림의 가시광선 (Visible) 영역의 진동수 숫자를 보면 거의 10^15 수준인데, 1초에 저 횟수만큼의 "움직임" 이 있다고 생각하면 된다.

 

Wavelength = 파장 = [m] = λ 로 표기

 

 

위 그림의 빨간색 화살표의 길이가 파장인데, 동일한 모양이 반복 될 때, 같은 모양 사이의 직선 거리이다. 보통 마루와 마루 또는 골과 골 사이 거리 로 표현한다.

 

어떤 파동을 특정지을 때, 보통 위 두 가지 단위를 많이 사용한다. 라디오의 91.9 메가헤르츠 라고 하는것은 결국 방송국에서 사용하는 전파의 진동수를 그냥 읽는 것 이다.

파장 단위는 메가헤르츠 [MHz] 보다 훨씬 큰 진동수를 갖는 파동을 다룰때 사용한다. 보통 빛.

 

 

[010-001-04] 주파수(진동수) 와 파장의 관계

결론부터 말하면 주파수와 파장은 역수 관계이고 둘을 곱하면 빛의 속도가 나온다. 라고 알고있으면 편하다.

빛의 경우,

보라색에 가까울수록 파장은 짧아지고, 주파수(진동수)는 커지고,

빨간색에 가까울수록 파장은 길어지고, 주파수(진동수)는 작아진다.

 

정확한 숫자가 나와있진 않지만, 위 그림의 보라색의 파장과 진동수를 한번 곱해보면,

보라색의 파장은 400 nm (= 4 x 10^-7 m), 주파수는 대략 10^15 /s 이니까, 둘을 곱하면, 4 x 10^8 m/s 로 빛의 속도와 유사한 숫자를 얻고, 이 숫자는 자연스럽게 속력의 단위를 갖게 된다. (400 nm 위치와 10^15 Hz 의 위치가 정확히 같지 않으니까 정확한 계산을 하면 당연히 앞에 곱해진 숫자는 4보다 작아질거다.)

 

 

[010-001-05] 요약

본의 아니게 길어졌는데, 
이제 입자였던 전자는 파동같은 특성을 보이기도 하고, 파동이었던 빛은 입자같은 특성을 보이기도 한다.

파동을 다룰때는 주파수와 파장을 많이 사용한다.
주파수와 진동수는 같은 말이다.

빛을 다룰때는 보통 파장 단위를 많이 쓰며, 한 파동의 진동수와 파장을 곱하면 빛의 속도가 된다.

즉, 진동수와 파장은 반비례 관계이다.