양자역학 궁금해? 내용과 역사

양자역학

원자구조와 원자 구성입자의 운동을 취급하는 물리학의 한 분야입니다. 원자에서 에너지가 빛의 형태로 흡수되고 방출되는 과정과 빛의 본성도 밝혀줍니다. 양자역학은 영국의 과학자인 뉴턴이 세운 법칙에 기초하고 있는 고전물리학의 한계를 뛰어넘는 내용을 담고 있으며, 20세기에 이루어진 탁월한 과학적 업적의 하나로 꼽힙니다. 양자역학은 이론적인 면에서뿐만 아니라 레이저, 트랜지스터와 같은 유용한 장치의 개발에도 많은 기여를 했습니다. 또한 양자역학의 출현으로 화학결합과 화학반응에 대한 이해도 더 깊어지게 되었습니다.

 

 

내용

원자는 (-)전하를 띤 전자라는 입자가 (+)전하를 띤 핵 주위의 궤도에서 운동하는 구조를 갖습니다. 양자역학에 따르면 전자는 특정한 궤도만 움직이는데, 양자화된 궤도 라고 하는 이들 각각의 궤도에 있는 전자는 특정한 에너지값을 가집니다. 전자가 어떤 한 궤도에 있을 때 전자는 특정한 에너지준위에 있다고 합니다. 전자가 높은 에너지궤도에서 낮은 에너지궤도로 이동하면 에너지가 빛의 형태로 방출됩니다. 빛은 양자라고 하는 아주 작은 에너지 덩어리로 방출되는데, 광자 한 개의 에너지는 전자의 이동이 일어난 두 궤도 사이의 에너지 차와 같습니다. 한편 반대로 광자를 흡수하면, 전자가 낮은 에너지궤도에서 높은 에너지궤도로 이동합니다. 이와 같은 방식으로 양자역학은 원자가 광자를 흡수하거나 방출하는 과정을 설명해줍니다. 과학자들은 한때 빛이 연속적으로 발산되느 파동이라고 믿었습니다. 그러나 지금은 빛이 입자와 파동의 성질 모두를 갖는다고 알고 있습니다. 광자의 에너지는 파동의 진동수(1초 동안 진동한 횟수)에 비례합니다. 순수한 빛에서는 특정한 진동수나 색깔을 나타내는 하나의 스펙트럼선이 나타납니다. 그러나 화학원소의 원자는 넓은 영역의 진동수에 해당하는 파동을 방출하기 때문에 각기 다른 많은 스펙트럼선이 나타납니다. 화학원소의  스펙트럼은 이와 같은 선으로 구성되며, 스펙트럼을 관찰함으로써 한 원소를 다른 원소와 구별할 수 있습니다. 한 원소에서 방출하는 스펙트럼선의 진동수는 양자역학을 이용하여 계산할 수 있습니다. 양자역학에 따르면 전자나 물질을 구성하는 여러 가지 입자는 파동의 성질도 가지고 있습니다. 물질파라고 하는 이 파동은 특정한 파장을 가집니다. 파장은 진동수와 입자의 운동량에 반비례하며, 운동량은 입자의 질량과 속도를 곱한 값입니다. 양자역학의 또 다른 근본 개념으로는 불확정성원리가 있습니다. 이 원리에 따르면 한 입자의 위치와 속도를 동시에 정확하게 측정할 수 없습니다. 이는 입자가 파동의 성질을 가지고 있기 때문입니다. 그뿐만 아니라 입자의 위치와 속도를 측정하는 방법 자체에도 무제한적인 정확성에 도달할 수 없는 근본적인 한계가 있습니다.

 

역사

1900년에 독일의 물리학자인 플랑크는 가열된 물체에서 방출되는 빛의 스펙트럼을 설명하려고 양자의 개념을 처음으로 도입했습니다. 1905년에 독일 태생의 물리학자인 아인슈타인이 광전효과를 설명하는 과정에서 플랑크의 가설을 확장시켰습니다. 아인슈타인은 이를 통해 빛이 파동의 성질을 띠는 에너지 입자로 구성되었다는 학설을 확립시켰습니다. 1913년에 덴마크의 물리학자인 보어는 원자의 전자구조에 관한 이론을 제창했습니다. 또한 원자가 빛을 방출하는 과정도 설명했습니다. 1924년에 프랑스의 물리학자인 드 브로이는 물질파의 개념을 도입했습니다. 1920년대 중반에 오스트리아의 물리학자인 슈뢰딩거와 독일의 하이젠베르크는 독자적으로 서로 다른 형태의 양자역학을 창안했습니다. 후에 이 둘은 하나로 통합되어 화학, 분자생물학, 고체물리학 등 여러 분야의 과학에 적용되었습니다.