흑백과 디지털

질량은 곧 에너지 입니다. 이미 E = mc² 라는 공식은 익숙할 거라고 생각합니다. 질량은 물질입니다. 빛은 에너지입니다. 그래서 이런 생각을 할 수 있을 것입니다. 물질에서 빛이 나오고, 빛이 어떻게 되어서 물질이 되고. 현실세계에서 실재로 일어나는 일입니다.

쌍생성(pair production) 이라는 현상이 있습니다. 광자(빛의 덩어리)에서 전자와 양전자(positron)를 만들어 내는 현상입니다. 양전자라는 말은 익숙하지 않을 것 같군요. 전자와 질량이 같고 전하량은 같지만 전하량의 부호가 반대입니다. 그래서 양이라는 말이 들어가고 전자라는 이름을 물려 받았습니다. 그리고 이현상이 일어나기 위해서는 주의에 핵이 있어야 합니다. 핵은 작용에 참여하지 않지만 꼭 필요한 요소입니다. 그래서 입자가 하나도 없던 공간에서 에너지만 있다고 해서 쌍생성이 일어나는 것은 아닙니다.

쌍생성과 대응되는 현상으로 쌍소멸(pair annihilation) 이라는 현상이 있습니다. 이 현상은 양전자와 전자가 서로 만나면서 두 입자가 소멸하고 광자(빛)으로 변화는 현상입니다.

양전자의 또 다른 이름은 반전자입니다. 반입자이라는 걸 들어 보았는지 모르겠군요. 반입자에는 반전자, 반양성자 등등등 우리가 아는 입자에 반이라는 이름이 붙어 있습니다. 입자와 반입자가 만나면 에너지를 내고 사라집니다.


빛도 중력의 영향을 받습니다. 빛의 정지질량은 없다고 말한것 같군요. 그래서 움직이지 않으면 의미가 없습니다. 중력을 받아 빛이 휘어 지는 현상이 발생하기도 합니다. 그리고 질량이 아주 큰 물체에서는 빛 조차 빨려들어가는 현상이 발견됩니다. 이게 바로 블랙홀입니다.

광전효과 : 금속에다 빛을 쏘여주면 전자가 튀어나오는 현상이다. 이 현상을 정확히 살펴보면
1. 빛이 금속표면에 부딪히는 시간과 광전자가 반출되는 시간 사이에 지연이 없다.
2. 같은 진동수에서 밝은 빛은 어두운 빛 보다 많은 광전자를 만들지만 전자에너지는 같다.
3. 진동수가 높을수록 광전자는 큰 에너지를 갖는다.

1에서 광전자란 빛에 의해 생성되는 전자이다.

이 현상들은 빛이 파동이라고 가정해서는 나온 수 없는 현상입니다.

컴퓨던 효과를 빛을 가지고 전자를 맞추어 이동시킨 현상입니다. 좀더 가장되게 말한다면 당구대 위에 있는 당구공을 형광등으로 움직이게 만든 것입니다. 물론 그 당구공이 전자 정도로 작기 때문에 가능한 일이겠죠. 빛의 입자성을 다시 보여주는 현상입니다.

결론적으로 빛은 파동과 입자의 성질을 동시에 가지고 있습니다.

흑체 ( Balck Body ) : 입사하여 들어오는 모든 복사를 진동수에 상관없이 모두 흡수하는 이상적인 물체

우리가 보통 검은색이라고 보이는 물질은 가시광성 영역에서 모든 빛을 흡수하여 검은색으로 보이는 것이다. 우리가 보는 빨간색은 다른 가시광선 영역은 흡수하고 빨간색 영역만을 반사하기 때문에 그렇게 보이는 것이다. 흑체는 가시광선 영역의 넘어, 빨간색 바깥영역 적외선, 보라색 바깥영역 자외선 등 모든 빛 영역 (이 말이 진동수에 상관없다는 말이다. ) 에 상관없이 모두 흡수하는 물질이다. 물론, 이런 물직을 만들 수는 없다. 다만 이와 비슷하게 만들어 낼 수 있다.

이런 물질을 생각해 낸 것은 빛에너지를 구하기 위해서이다. 흑체에 빛을 쏘아주면 모든 빛 에너지가 흑체로 갈 것이다. 그러면 흑체안의 에너지를 측정한다면 빛에너지를 측정할 수 있다.

이 물질의 복사에너지 밀도를 구하기 위해 많은 노력을 기울려 왔다.
이중 실험 결과에 가장 일치하는 것은 플랑크의 공식이다. 플랑크 공식의 핵심은
E = nhυ 라는 공식이다. υ 는 진동수이고 h 는 플랑크상수이며 n 는 정수이다.
이게 무슨 뜻인지는 스스로 식을 만든 플랑크 자신 조차도 잘 알지 못했다. 이것은 아인스타인에 위해서 분석된다.
여기서 부터 양자화라는개념이 나온다. 빛이 덩어리져 있는 것처럼 모여 있다는 말이다. 진동수가 결정되어 있으면 (흑체에다 하나의 색만 가진 빛을 쏘인다고 하면) 흑체는 hυ 만큼씩 덩어리져 있는 빛에너지를 받는다. 그리고 간혹 이것들 두개나 세개가 같이 들어오는 경우도 있을 것이다. 이 때를 위해서 n 이라는 정수를 사용하였다. 결론적으로 빛은 일정한 에너지를 가지고 하나의 입자처럼 뭉쳐있다는 말이다. 그리고 빛 한 덩어리는 진동수에 비례한다.

빛 한 덩어리를 광자라고 한다. 빛은 입자의 성질과 파동의 성질을 동시에 가지고 있다. 이 광자 하나의 에너지는 E = hυ 라는 값이 나온다. h 는 그냥 상수일 뿐이다.