빛의 근원을 찾아서 3, 뱀은 적외선 카메라를 가졌다.

전자의 불연속적 도약과 하강 

<그림 3> 전자의 궤도  https://yjh-phys.tistory.com/16

전자는 원자핵을 중심으로 두고 일정한 궤도를 이루면서 돌고 있다. 이때 전자가 움직이는 궤도는 에너지의 크기(에너지 준위)를 갖는 특정한 궤도를 따라 회전한다. 위 그림에서 원자핵에 가까운 궤도의 에너지 값이 1의 궤도(n=1)를 따라 전자가 회전하거나 아니면 에너지값 2의 궤도(n=2) 혹은 에너지값 3의 궤도(n=3)에서 회전한다. 그 사이의 에너지 값, 즉 1.01~1.99, 2.01~2.99 사이의 궤도에서는 전자가 존재하지 않는다.  

전자는 특정한 값(量子數, quantum number)의 에너지값에 대응하는 궤도에만 존재한다. <그림 2>에서 본 것처럼, 마치 계단에서 공을 떨어뜨렸을 때, 공은 계단과 계단 사이에는 존재할 수 없고 오직 계단 위의 특정 값에서만 존재하는 것과 같은 원리다. 따라서 계단을 오르내리는 공은 특정한 높이 값을 가진 계단에서 계단으로만 움직인다.

수직 계단은 일정한 높이 값을 갖는다. 공이 떨어질 때 일정 높이 값의 계단에만 떨어진다. 전자도 특정 값의 에너지 궤도만 움직인다. 이것을 원자의 에너지가 양자화되었다고 정의한다. 양자화란 어떤 물리량이 한 개, 두 개, 세 개 등으로 셀 수 있는 숫자로 정해졌다. 양자화된 값에서는, 그 사이 연속적인 구간을 값을 갖지 않기 때문에 불연속적이라 할 수 있다. 

에너지의 변화에 따른 전자의 움직임과 빛 방출

<그림 4> 에너지 상태에 따른 전자의 위치 https://news.samsungdisplay.com/18963

<그림 4>는 에너지의 상태에 따른 전자의 위치를 보여준다. 높은 에너지의 전자는 높은 궤도를 돌고 있는데 불안정한 상태다. 반면에, 낮은 에너지의 전자는 낮은 궤도를 도록 있고 안정된 상태다. 에너지나 빛을 받으면 물체는 뜨거워지고, 물체 내부의 전자는 매우 빠른 운동을 한다. 에너지를 흡수한 전자는 상위 궤도로 올라가고 급격하게 들뜬상태로 변한다. 전자는 에너지를 방출하고 원래 낮은 에너지 상태로 되돌아가는 성질이 있다.

<그림 5> 에너지 변화에 따른 전자의 움직임과 빛  https://news.samsungdisplay.com/18965

<그림 5>를 보면, 에너지나 빛을 흡수했을 때 전자의 움직임을 보여준다. 전자는 들뜬 불안정한 상태에서 안정된 상태로 돌아가는 성질을 갖는다. 에너지를 흡수해서 들뜬상태가 된 전자가 낮은 에너지 상태로 돌아가려면 에너지를 토해 내야 한다. 에너지를 흡수한 전자가 들뜬상태가 되었다가 원래의 상태로 복귀하는 과정에서 빛을 방출한다. 원자 내부 전자의 불연속적인 움직임이 빛을 만들어 내는 것이다. 빛이 다른 곳에 있는 것이 아니라 물질 속에 이미 있다. 

이제 빛의 근원을 차는 여행을 마무리하자. 물체는 열, 즉 에너지를 받으면 빛을 낸다는 사실을 알았다. 용광로 속에서 펄펄 끓는 쇠는 빨간색 빛을 마구 쏟아낸다. 사람 몸도 열이 있기 때문에 빛을 낸다. 우리 몸에서 나오는 빛 혹은 전자기파는 가시광선보다 파장이 길어 눈으로 볼 수 없다. 우리 몸에서 나오는 전자기파를 감지하기 위해서는 적외선 카메라가 필요하다. 

뱀은 파장이 적외선을 관찰할 수 있는 특이한 능력을 갖췄다. 몸에 적외선 카메라를 장착한 것과 같다. 시력은 나쁘지만, 개구리가 움직일 때  나오는 적외선을 감지해 사냥한다. 만일 딱딱한 바위도 열이 있어 적외선을 방출한다면 뱀이 잡아먹으러 달려들 것이다. 열을 가진 물체는 전자기파인 빛을 내고, 뱀은 그 빛을 감지해 사냥하기 때문이다.