처음 읽는 양자 물리학

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정리

배경 개념

• 양자 : 에너지가 가질 수 있는 가장 작은 기본 단위
  • 막스 플랑크가 뜨거운 물체에서 나오는 빛과 온도 사이에 어떤 관계가 있는지 연구하다가 발견한 개념
  • 고전 물리학 개념과 맞지 않음.
• 에너지 : 일을 할 수 있는 능력.
  • 새로 생겨나거나 완전히 파괴되지 않고 한 형태에서 다른 형태로 변화하기만 함
  • 고전 물리학에서는 연속적으로 존재한다고 인식. 띄엄띄엄 불연속적인 덩어리 상태
• 파동 : 공간에서 생겨난 요동이 주변으로 퍼져 가면서 에너지를 전달하는 움직임
• 빛의 성질 : 반사, 회절, 굴절
• 전자 : 음전하를 띈 입자. 원자의 일부를 이루는 성분
• 전류 : 전하가 이동하는 현상으로 물질 속에서 전자가 움직일 때 나타남

빛의 성질

• 빛의 반사, 굴절은 파동/입자 두 가지 이론에서 모두 설명 가능.
• 파동
  • 빛의 회절은 파동이 아니고서는 설명이 안됨.
    • 회절 : 장애물이나 좁은 틈을 통과할 때, 빛이 그 뒤편(그림자 부분)까지 나아가는 현상
  • 빛은 전자 기파. 전기와 자기로 이루어진 파동 * 맥스웰이 네 가지 방정식으로 모든 전자기 현상을 설명.
• 입자
  • 광전 효과 : 광자가 금속 표면에 부딪혀서 전자들이 원래 괘도에서 이탈한다고 아인스타인이 설명
    • 광자 : 빛의 입자. 광양자, 에너지 양자
    • 빛이 입자이어야 설명이 가능
    • 빛이 가진 에너지량에 따라서 발생(예: 빨간색 빛 광자에서는 발생하지 않다가 보라색에서는 발생)
  • 광자의 특성
    • 질량이 없음
    • 더 이상 쪼갤 수 없음
    • 빛의 속도로 이동
  • 진동 수
    • 진동 수에 따라 색이 달라짐
    • 진동수가 클 수록 더 큰 에너지를 가짐. (보라색 > 빨간색)
    • 가시광선 밖은 자외선, 적외선

원자

• 전자, 양성자, 중성자로 이루어짐
  • 원자에 들어있는 전자의 수 = 양성자의 수
• 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있음
  • 강력, 핵력 : 양성자와 중성자를 결합시키는 힘
  • 양성자는 전자기력으로 전자를 끌어 당김
  • 양성자와 중성자는 쿼크라는 더 작은 입자들로 이루어져 있음
• 전자
  • 음전하를 띄고 있음.
  • 원자핵 주위에 구름처럼 흩어져 있음. 오비탈
  • 전자가 에너지를 얻거나 잃으면, 한 궤도에서 다른 궤도도 이동할 수 있음
• 지금까지 발견된 원소는 118개
• 원자 스펙트럼
  • 원소 물질을 가열해서 기체상태로 변하게 되면 그 과정에서 빛이 나오고 그 빛을 프리즘에 통과시켜 쪼개보면 원소마다의 고유한 스펙트럼이 관찰됨
  • 별빛의 스펙트럼을 분광기로 분석해서 별의 성분을 추정할 수 있음

분자

• 원자들의 결합으로 이루어짐.
• 원자가 전자 : 분자를 이루는 원자들이 공유하는 전자
• 분자의 예
  • DNA : 수백만 개의 원자로 이루어진 큰 분자
  • 철 등 금속 분자 : ‘원자가 전자'가 자유롭게 이동할 수 있는 전자 구름을 이루고 있음

닐스보어의 원자 모형

• 전자의 괘도 이동 (양자 도착)
  • 전자가 에너지 흡수 -> 에너지 준위가 높은 괘도로 이동
  • 전자가 에너지 준위가 낮은 괘도로 이동 -> 에너지 방출(광자 방출)
• 방출되는 광자는 모두 같은 색(같은 진동수)
  • 방출 스펙트럼에서 선으로 나타남

이중 슬릿 실험

• 1801년 토마스 영이 최초로 빛을 이용해 이 실험을 함
  • 빛의 파동성을 발견
• 전자를 이용한 실험
  • 관찰하는 장치를 설치하면 전자가 입자처럼 행동하고 아니면 파동처럼 행동함.
  • 파동-입자 이중성이 전자에서도 나타남

물질파

• 루드로이가 광자 개념에서 영감을 얻어 물질도 파동처럼 행동할수 있지 않을까 생각함
• 물질파는 확률파
  • 슈뢰딩거가 물질을 기술하는 파동 방정식을 만듬
  • 측정장치로 전자의 상태를 직접 측정할 때에만 그 스핀이 업인지 다운인지 결정됨

불확정성의 원리

• 하이젠베르크가 전자 같은 아원자 입자의 위치와 속도를 동시에 정확하게 아는 것을 불가능하다고 주장.
  • 관찰 행위가 관찰 대상을 변화시키기 때문에. 광자가 전자에 가서 충돌하면 전차의 위치나 속도가 변하게 됨.

반물질

• 폴 디렉이 전자와 반대 하전를 가진 쌍둥이 입자인 반전자(양전자)가 존재할 것일라고 예측.
• 양성자의 반입자는 음전하를 양성자
• 전자와 양전자가 만나면 서로 파괴되 어사라지면서 에너지가 감마선으로 나옴
• 우주에는 반물질은 극히 드물게 존재

양자 얽힘

• 일단의 입자들이 마치 하나의 계처럼 행동하는 방식으로 상호 작용
  • 거리에 상관없이 나타남
• 실험실에서 얽힌 상태의 광자를 만들 수 있음
  • 한 광자가 업 스핀이면 다른 광자는 다운 스핀

방사능

• 원자핵이 아주 큰 원자가 자신의 일부를 방사선의 형태로 내보냄
  • 알파선 : 원자핵에서 중성자 2개와 양성자 2개가 결합해 양전하를 띈 헬륨 원자핵이 됨.
  • 감마선 : 원자핵에서 고에지너 광자들이 방출
  • 베타선 : 원자핵에서 중성자가 양성자로 변화함. 이 과정에서 전자하나가 베타(beta-)선이라는 방사선으로 나옴. 그 반대도 가능한데 양성자가 중성자로 변하고 반물질인 양전자로 이루어진 베타선(beta+)가 나옴.
• 방사능 현상은 알파 입자가 터널 효과 때문에 원자핵에서 탈출하면서 일어남.

CERN(유럽입자 물리학 연구소)의 입자가속기

• 스위스 제네바 부근의 지하 100m 깊이 터널에 설치
• 지름이 27km나 되는 고리 모양
• 거대한 자석을 사용해 양성자 빔을 광속에 가까운 속도로 가속
• 우주가 탄생하던 순간에 일어난 일을 재현해서 물질이 어떻게 생겨났는지 알아내려고 함
• 입자 가속기에서 두 양성자를 아주 빠른 속도로 가속시켜 충돌시키니 양성자가 더 작은 입자인 쿼크로 쪼개짐
  • 양성자와 중성자는 각각 3개의 쿼트로 이루어져 있음
• 소립자 : 더 작은 입자로 쪼갤수 없는 입자
  • 쿼크 : 양성자와 중성자를 이룸
  • 게이지 보손 : 힘을 전달하는 소립자
    • 힉스 입자
  • 경입자 : 전자, 뮤온, 타우온처럼 비교적 질량이 가벼운 소립자

인상 깊은 단락

p15

가시광선의 범위. 레이더, FM, TV, AM 전파는 적외선보다 에너지가 적은 영역.

p22~ p23

원소 주기율표

p43

소립자 표준 모형

힉스 입자에 대해서는 https://zdnet.co.kr/view/?no=20120707190842 설명 참조