[013] 전자기파동의 본질 - Electromagnetic Wave

[013]

제목이 뭔가 상당히 거창한거 같은데, 교재의 제목 "The Nature of Electromagnetic Waves" 를 한글로 바꾸다보니 이렇게 됐다.

그래서 빛이 뭔지 좀 정리해보자.

 

 

[013-01] 빛

https://emf.kca.kr/html/elecBusiness/business.do?menuCd=FM0801

위 그림이 전자기학에서 말하는 빛의 본질이다. 전기장과 자기장으로 구성된 전자기복사.

우리가 알고있었던 사실과 앞에서 해 온 이야기들을 통해 빛의 특성을 설명하는데 파동모델과 입자모델의 두 가지 방법이 있음을 알게 됐다. 사실 둘이 함께 존재한다는것도 좀 불편하긴 하다.

광전효과와 콤프턴 효과는 빛과 물체가 상호작용 할 때, 빛이 특정 에너지와 운동량을 갖는 입자처럼 행동한다는 도무지 부정 할 수 없는 강력한 증거를 보여주고 있다.

그런데, 전자기학에서 빛은 위 그림처럼 명백하게 전자기적 파동으로, 간섭, 굴절, 회절과 같은 파동만이 갖는 성질을 갖는다. 어디서는 입자고 어디서는 파동이라니.

 

 

[013-02] 입자? 파동?

그럼 다시, 빛은 입자일까 파동일까?

답은 관찰하는 현상에 따라 다르다는 것.

어떤 현상은 입자모델로 설명하는게 맞고, 다른 현상은 파동모델로 설명하는게 맞다는 이야기다.

... 거 참 무책임한 말이네.

 

 

[013-03] 어떻게 해야하는걸까

우리는 별 수 없이 두 모델을 다 받아들여야 하고, 한가지 모델만으로 현상을 설명하는게 불가능하다는 사실을 인정 하는 것 밖에 할 수 있는게 없다.

금속 표면에서 광전자를 발생시키는 것, 좁은 틈을 통과하면서 회절을 발생시키는 것 모두 빛 일 뿐이고, 각 현상을 설명하고 이해하기 위해 우리가 사용하는 입자모델, 파동모델은 서로 보완적인 관계 일 뿐이다.

 

 

[013-04] 빛이 입자라면..

빛이 입자라는 사실을 인정하면 다음과같이 엄청나게 많은 질문이 생기게 된다.

- 운동량과 에너지를 갖는 입자라면, 입자의 주파수와 파장은 도대체 무슨 의미를 갖는가.

- 입자의 운동량과 에너지는 주파수와 파장 중 어떤 값에 의해 결정되는건가.

- 움직이는 광자의 유효질량 (effective mass) 에 대한 표현은 가능한가.

- 만약 광자의 유효질량을 표현하는게 가능하다면, 그 질량은 만유인력에 의한 효과를 받게 되는가.

- 빛이 퍼지는것은 광자로 어떻게 설명 할 수 있으며, 어떻게 전자는 광자를 흡수하거나 산란시키는건가. 등등

이 질문들에 당장 답을 할 수는 없지만, 빛이 입자의 특성과 파동의 특성을 모두 갖는다는 것 만큼은 이제 확실히 알게됐다.

 

양자역학은 빛의 입자모델과 파동모델이 좀 더 서로를 보완 할 수 있도록 다루어 유연하게 각 특성을 현상에 적용 할 수 있게 해 준다.

 

 

[참고문헌]

주 교재 : Physics for Scientists and Engineers, 9th Edition, Serway/Jewett