빛은 입자이고 파동이고
빛은 뭘까? 굉장히 철학적인 질문이다.
출처 빅스마트샵 인테리어소품빛이 무엇인가에 대한 논의는 아주 오래전부터 이어져 왔다. 아주 옛날에는 빛이 입자라고 생각했다. 빛 알갱이가 비추는 곳은 환하고 빛 알갱이가 사물에 부딪혀 도달하지 못한 곳은 어두워서 그림자가 진다고 주장했다. 논리적이다.
하지만 이 논쟁은 맥스웰이라는 과학자에 의해 반전되었다. 과학자 맥스웰은 빛이 전자기파임을 수학적 전개로 서술하면서 빛은 파동이라는 주장에 힘이 실렸다. 즉, 빛은 전기장 파동과 자기장 파동이 매질 없이 서로 상호작용하며 진행하는 에너지라는 것이다. 또한 빛이 파동임을 증명하는 수많은 실험들도 나왔다. 그래서 빛은 파동이라고 결론이 지어질 뻔했다.
출처 천재교육 물리학1 교과서그런데 이후 플랑크가 에너지 양자화를 주장하며 수식을 하나 발표한다. 그 수식은 E=hf로 빛에너지는(E)는 빛의 진동수(f)에 의해 결정된다는 것이다. 이 수식이 발표될 당시에는 큰 힘을 받지 못했으나 아인슈타인의 실험을 통해 이 수식이 인정받게 된다. 그 아인슈타인의 실험이 바로 광전효과이다. 결론부터 말하자면 이 광전효과 실험은 빛이 입자라는 증거가 되었다.
광전효과 실험은 다음과 같다. 금속판에 빛을 달리하여 쬐일 때 금속판에서 방출되는 전자를 확인하는 실험이다. 실험 결과가 재미있다. 실험에서 변화시킬 사항이 빛의 종류이다. 특정 진동수보다 큰 진동수의 빛을 금속판에 쬐일 때는 전자가 나왔다. 그 빛 에너지가 전자를 나오게 할 만큼 충분한 것이다. (특정 진동수는 금속판마다 다르게 결정된다.)
그런데 특정 진동수보다 작은 진동수의 빛을 쬐일 때는 전자가 나오지 않았다. 전자가 나오지 않아서 빛의 세기를 높여봤다. 그런데도 전자는 나오지 않았다. 이 지점이 빛이 입자임을 나타내는 부분이다. 빛이 파동이라면 빛의 세기를 높였을 때 전자가 나왔어야 한다. 빛에너지가 약해서 전자가 나오지 않으니까 빛의 세기를 높이면 광전자가 나올 거라고 예상한 것이다. 마치 높은 파도가 더 파괴력이 있고 위험하다고(에너지가 크다) 느끼는 것처럼 말이다.
하지만 금속판에 비추는 빛의 진동수가 특정 진동수보다 작을 때는 빛의 세기를 아무리 높여도 전자는 방출되지 않았다. 그런데 빛의 진동수를 높였더니 어느 순간 전자가 방출되기 시작한 것이다. 따라서 플랑크가 주장한 '빛의 에너지는 진동수에 결정된다.'라는 빛의 양자화가 사실로 드러난 것이다. 즉, 전자가 튀어나오려면 최소한 하나의 빛 알갱이가 특정 에너지 이상을 가져야 한다. 이로써 빛은 입자임이 증명이 되었다.
그래서 결론은 무엇인가?!! 빛은 파동인 걸까? 입지인 걸까? 결국 과학자들은 이렇게 결론을 내린다. "빛은 입자이고, 파동이다. 둘 다야!" 빛의 파동성을 주장하는 실험도 무시할 수 없고 빛의 입자라는 실험도 사실이라고 결론을 내린 모양이다. 이러한 성질 때문에 현재 우리는 빛의 이중성이라는 단어로 과학 교과서에서 만나고 있다.
빛의 이중성 수업을 하면 학생들 눈빛만 봐도 이해할 수 없다는 걸 알 수 있다. 수업을 정리하면서 "그래서 빛은 파동이고, 입자라고." 말했다. 저기서 나지막하게 학생이 말했다. "어쩌라고...."
파동: 한 지점에서 발생한 진동이 주위로 퍼져나가는 현상
진동수: 1초 동안 진동하는 횟수