플랑크가 들려주는 양자 이야기

육근철

저자 : 육근철
저자 육근철은 1950년 대전 출생. 대전과학고등학교 연구 부장, 대전과학교육원 연구사, 한국영재학회 부회장을 역임했다. 2006년 현재 공주대학교 물리교육과 교수로 있다. 지은 책으로 ‘빛의 여행’ 등이 있다.

첫번째수업_용광로의 불꽃 흑체복사란 무엇일까요
두번째수업_ 빛의 색깔과 온도와는 어떤 관계가 있나요?
세번째수업_ 망원경으로 용광로의 온도를 측정할 수 있을까요?
네번째수업_ 젊은 과학자 빈과 선배 과학자 레일리의 차이점
다섯번째수업_ 빈의 공식과 레일리의 공식의 화해
여섯번째수업_ 연속이냐, 불연속이냐? 그것이 문제로다
일곱번째수업_ 양자 이론의 꽃 플랑크 상수 h의 물리적 의미-거시 세계와 미시 세계
여덟번째수업_ 지금은 바야흐로 양자적 점핑 시대 당신이 점핑하기 위한 에너지는 얼마있가요?

■■■ 양자n 역학이라는 새로운 과학 세계를 열어 준 출발점!

1918년 노벨 물리학상을 수상한 막스 플랑크는 양자라는 새로운 세계를 확립했다. 우리가 살고 있는 거시 세계에서는 존재하지 않는 양자의 개념을 가설로 설정하고 식으로 증명해 낸 사람이다. 눈에는 보이지 않는 작은 알갱이들이 파장이 아닌 입자로 존재하며 에너지 준위의 차이에 따라 움직이면서 빛이 나온다는 것이다. 왜 빛은 온도에 따라 색깔이 다른지에 대한 궁금증이 많았던 사람들에게 새로운 전기를 마련해 준 사람이다.

빛은 무엇일까? 양자가 발견되기 전 끊임없이 논쟁거리였던 빛의 성질을 입자성과 파동성의 이중성이 밝혀지기 전까지 빛은 파동으로 여겨져 왔다. 그런 빛을 입자로 보고 설명한 과학자가 바로 막스 플랑크다.

그렇다면 양자(Quantum)는 무엇일까? 어떤 물리량이 연속 값을 취하지 않고 어떤 단위량의 정수배(또는 半整數倍)로 나타나는 비연속적인 값을 취할 경우, 그 단위량이라는 사전적 의미를 갖는다. 양자는 말 그대로 작은 에너지 알갱이를 말하는 것이다. 지금은 이렇게 쉽게 말할 수 있지만 빛이 입자인지, 파동인지도 확신할 수 없었던 그 당시 과학자들에게 양자는 전혀 새로운 개념이었다. 그런 개념을 통합시키고 양자의 개념을 증명한 과학자가 바로 막스 플랑크이다.

■■■ 빛은 파동이다 or 입자다!

빛은 파동이라고 생각하는 과학자들은 빛을 연구함에 있어 한계에 부딪친다. 빛의 다른 속성으로 밖에 생각할 수 없는 바로 입자성 때문이었다. 과학자들은 기존에 밝혀진 빛의 파동성에 대한 의심을 하지 못한다. 그때 막스 플랑크는 문제를 해결하기 위해 가상의 수 h를 도입하고 문제를 해결한다. 아무도 생각하지 못했던 상수 h를 도입함으로써 흑체복사의 에너지가 플랑크 상수라는 특정한 상수와 진동수의 곱의 정수배가 되어야 한다는 주장을 했는데, 바로 이것이 새로운 20세기 현대물리학의 시발점이 되었다.

■■■ 모든 빛을 흡수하는 흑체

모든 물질은 자신이 온도가 높을 때는 빛을 내고 낮을 때는 흡수하는 성질이 있다. 그런데 각 물질은 자신이 온도가 높을 때 방출하는 빛을 온도가 낮을 때 다시 흡수하는 성질이 있다. 예를 들어 나트륨을 태우면 몇 개의 노란 선이 나온다. 그런데 백열전구의 빛을 차가운 나트륨 기체에 통과시키면, 스펙트럼에서 나트륨의 노란 선만 까맣게 빠져 있다. 같은 파장의 빛을 나트륨 기체가 흡수해 버린 것이다. 이렇게 모든 물질이 자신이 뜨거울 때 내는 빛을 차가울 때 흡수하는 성질에 착안한 과학자들은 만일 차가울 때 모든 파장의 빛을 흡수하는 물체가 있다면, 이 물체는 뜨거워졌을 때 다시 모든 파장의 빛을 골고루 내놓을 것이라고 생각했다.

■■■ 이 책의 구성 및 장점

― 개정된 교육과정을 반영하여 각 수업마다 연관되는 교과연계표를 삽입하였다. 즉, 교과 공부에도 도움을 주도록 하였다.

― 각 수업마다 ‘만화로 본문 읽기’ 코너를 두어 각 수업에서 배운 내용을 한 번 더 쉽게 정리할 수 있게 하였다.

― 꼭 알아야 할 중요한 용어는 ‘과학자의 비밀노트’ 코너에서 보충 설명하여 독자들의 이해를 도왔다.

― ‘과학자 소개.과학 연대표.체크, 핵심 내용.이슈, 현대 과학.찾아보기’로 구성된 부록을 제공하여 독자에게 본문 주제와 관련한 다양한 정보를 제공하였다.