양자역학-파동과 입자의 이중성
"양자역학에서 파동-입자 이중성에 관한 자료를 보개 되면 당혹스럽게도 상형 문자를 읽는 것과 같게 됩니다. 양자역학을 이해하기 위하여는 Rosetta Stone을 발견하거나 Rosetta Stone을 구성하여는 상형 문자를 우리가 이해할 수 있는말로 번역 할 수있어야 합니다. 하지만, 아무도 이런 상형 문자를 번역하지 않았기 때문에 양자역학을 차근차근 공부하면서 알아가는 재미가 분명 있을 것입니다"
양자 물리학(양자역학)이 이해하기 쉽다고 말하는 사람은 거의 없습니다. 그러 생각한 것만큼 그리 복잡하지는 않습니다.
양자 세계에서 가장 신비한 두 가지 특징은 1)불확실성의 원리와 2)파동-입자 이중성입니다. 이 특징은 동전의 양면에 불과합니다.
1)불확실성의 원리
하이젠베르그(Heisenberg)는 불확실성 관계를 유도 한 후 진공을 통해 전자가 모두 움직이는 것으로 연구하였습다. 전자를 설명하기 위해서 입자로 측정된 특성으로 설명합니다. 이렇게 측정된 특성 중 네 가지 요소가 불확실성 원칙에 있어 중요합니다.이 요소는 전자의 위치, 전자의 운동량 (전자의 질량 시간, 속도), 에너지, 그리고 시간입니다. 이러한 속성은 전자의 동작을 설명하는 방정식에서 "변수"로 나타납니다. 그리고 이 요소들이 동시에 알 수 없다는 것이 불확정성의 원리입니다.
운동하는 입자에 대한 운동량과 위치 또는 에너지와 시간과 같은 두 개의 공액 변수의 동시 측정하는 것은 각 측정의 정밀도 (표준 편차)에 제한을 수반합니다. 즉, 위치의 측정이 정확할수록 운동량 측정이 부정확 해지고, 반대의 경우도 마찬가지입니다. 가장 극단적 인 경우에 한 변수의 절대 정밀도는 다른 변수에 대해 절대적인 부정확성을 수반합니다.
불확실성 관계는 수학 기호의 더 정확하게 쓰여질 수 있습니다. 기호들이 나타내는 정의는 다음과 같습니다.
- Dq는 위치 측정의 불확실성 또는 부정확도 (표준 편차)입니다.
- Dp는 q 측정과 동시에 q 방향의 운동량 측정의 불확도입니다.
- DE는 에너지 측정의 불확실성입니다.
- Dt는 에너지가 측정되는 것과 동시에 시간 측정의 불확도입니다.
- h는 플랑크 상수 (Planck 's constant)로 알려진 양자 이론 (Quantum theory)으로부터의 상수이며 아주 작은 숫자입니다.
- p는 원의 기하학에서 pi입니다.
- >=는 "보다 크거나 같음"을 의미합니다.
이 두 기호를 결합하면 불확실성 관계는 다음과 같이 보입니다.
| Dp Dq > h / 4p |
| DE Dt > h / 4p |
Eq는 Dq가 아주 작고 매우 좋은 정확도로 움직이는 전자의 위치를 측정한다고 말합니다. 같은 순간에 측정하는 운동량 Dp의 정밀도는 어떻게됩니까? 첫 번째 관계에서 아래의 관계를 구합니다.
Dp> h / 4p Dq
분모의 Dq가 매우 작기 때문에 운동량 측정 Dp의 불확실성이 매우 크다는 것을 알 수 있습니다. 사실, 위치 측정의 정밀도가 너무 높아져 불확실성 Dq가 작아 져서 0에 가까워지면 Dp가 너무 커져 무한대에 도달하거나 완전히 정의되지 않게됩니다.
2)파동-입자 이중성
빛이 입자 또는 파동으로 구성되었는지에 관한 논쟁은 실험 결과가 발표되었고 파동-입자 이중성 (wave-particle dual nature)은 전자의 특징이라는 것도 밝혀졌습니다.
광전 효과(Photoelectric Effect) 실험에서 파동처럼 빛을 묘사한 증거 뿐만 아니라 입자 성질을 갖는 확실한 증거로 이중성 원리는 확립되었습니다. 반면에, 전자가 입자 성질을 갖는 것에 대하여는 DeBroglie 가설을 통하여, Davisson과 Germer의 실험을 통하여는 전자가 파동의 성질을 갖고 있는 것으로 입증되었습니다.
빛이 입자의 성질을 보임. 전자가 파동의 성징을 보임
광전 효과에 대한 상세사항은 이전의 고전 물리학에서는 설명할 수 없는 현상이었습니다.
이 설명은 양자 이론에 대한 주요 단계 중 특징이 되었습니다.
광전 효과가 처음 관찰 되었을 때 주목할 내영은 다음과 같습니다.
(1) 전자가 즉시 방출 되었고, 시간이 걸리지 않았습니다!
(2) 빛의 세기를 증가 시키면 광전자의 수는 증가하지만 최대 운동 에너지는 증가하지 않습니다!
(3) 적색 빛에서는 강도에 상관없이 전자를 방출하지 않습니다!
(4) 약한 보라색 빛은 몇 개의 전자 만을 방출하지만, 최대 운동 에너지는 더 긴 파장의 강한 빛보다 큽니다!