빛의 입자적 성질에 대하여 Part 1

빛의 성질에 대해 아는 것은 단지 재료과학에서의 응용에서 국한되는 것이 아닌 어떠한 과학의 분야에서든 전부 응용 가능하다. 특히 나노소재공학에서 나노입자가 가지는 특징을 알아내기 위해 Transmission analysis, Raman analysis, Tauc plot등을 사용하는데 빛의 성질과 이에 수반되는 물질의 광학적 특징에 대한 이해가 필수적이다. 그래서 이번 포스팅에서는 기존의 빛에 대한 논의에 대해 이해하고 지금의 결론이 어디까지 도달했는지 알아보고자 한다.

빛에 대한 오랜 토론

빛은 어쩌면 우리 주변에서 가장 흔하게 볼 수 있지만 가장 신기한 특성을 가진 물리현상이다. 과거의 과학자들 또한 빛에 대해 많은 관심을 가졌고, 뉴턴의 광양자설부터 지금의 양자역학까지 엄청난 이론의 충돌을 겪었다. 

 

아주 오래전 (BC 기원전) 시대부터 빛은 사람들에게 관심의 대상이었으나 뉴턴이전에는 단지 "빛은 밝은것" 이라는 정의에서 크게 넘어가지 않았다. 그도 그럴 것이 과학이 본격적으로 태동하기 전에는 현상에 대해 이론적으로 생각하고 이를 정리하지 않았기에, 일상생활에서 매일 보는 빛은 사람들에게 그리 신기하게 다가가지 않았을 것이다. 하지만 1643년에 태어난 한 천재는 생각이 달랐다.

 

Isaac Newton의 주장 - 빛은 입자다

뉴턴이 관심을 가지고 발견한 만유인력, 미적분학, 광학은 모두 우주를 이해하기 위해 개발되었지만, 뉴턴이 발견한 모든것이 그러듯이 광학이라는 개념은 빛에 대한 연구에 효시가 되었다.

케임브리지 대학에서 프리즘을 실험하는 뉴턴, 빛에 대한 연구를 담은 "OPTICKS"

 

뉴턴은 빛을 프리즘에 넣어서 분해하는 시도를 했다. 매우좁은 슬릿 틈으로 빛을 집어넣고 이를 프리즘을 통해 다양한 방식으로 분해했는데, 한번은 분해된 빛을 다시 프리즘으로 합성하여 처음과 동일한 하나의 광선으로 만들었다. 또한 이 과정에서 빛이 좁은 슬릿을 통과하여 직진성있게 프리즘에 들어간다는 것에도 집중하여 빛은 입자로 구성되었다고 주장하였다.

 

뉴턴은 자신의 저서 광학 (1704년)에서 빛의 본체는 물체에서 사출되는 미립자이며 이 때문에 빛이 직진하고 다른 여러 색깔을 가진 다른 빛으로 분리된다고 설명했다. 

 

하지만 이런 뉴턴의 주장에도 허점은 있었다. 바로 빛이 분리될 때 보라색 빛이 더 많이 굴절되는 이유를 설명하진 못한다는 점이다. 또한 빛이 수많은 입자로 이루어진다면 그 입자들은 왜 서로 충돌하거나 영향을 끼치지 않는지에 대한 설명또한 부족했다. 

 

Christian Huygens의 주장 - 빛은 파동이다

뉴턴과 동시대에 살면서 빛에 대해 관심을 가진 과학자는 더 있었다. Christian Huygens는 빛을 입자가 아닌 파동이라고 생각했는데 이를 바탕으로 수면파가 이동하는 원리와 비슷하게 빛이 이동할 가능성을 제시하였다. 

왼쪽 : Christian huygens, 1629~1695   오른쪽 : Huygens' principle

Huygens가 제시한 Huygens' principle은 1. 어떤 점에서 파장이 발생했을때 또한 이 파장이 위의 그림처럼 일정간격으로 구면파를 형성한다면 2. 일정 시간 후에는 그 구면파들이 모여 다시 빛이 되어 나간다는 원리이다. 위 이론은 뉴턴이 빛을 입자라고 주장하기 전에 나왔는데 Huygens의 주장대로 빛을 이해한다면 빛의 회절이나 간섭까지 설명할 수 있다. 하지만 빛이 파동이라는 것을 직관적으로 이해하기 어렵고 뉴턴이 제시한 가설의 권위가 있었기에 그의 이론은 채택되지 않았다.  

 

Thomas Young의 주장 - 빛은 파장이다!

뉴턴이 주장한대로 빛이 입자라는 것은 과학계의 패러다임으로 자리잡았고 미처 설명하지 못하는 일부분의 내용을 제외하고는 입자설이 잘 맞아 떨어졌기에 학계에는 1800년대가 될때까지 그 생각이 바뀌지 않았다. 하지만 토마스 영의 회절 무늬 주장으로 다시 판도가 바뀌게 된다. 

 

토마스 영은 뉴턴의 광학에서 렌즈의 두께가 일정하게 늘어날 수록 빛이 일정하게 변하는 것을 보고 마치 오르간 노래에서 파이프 길이가 길어짐에 따라 음악이 일정하게 변하는 것을 떠올렸다. 그는 이것에 빛에 대한 중요한 관점이 숨어있다 생각하고 "Outlines of Experiments and Inquiries Respecting Sound and Light"라는 논문을 출간하여 보고하게 된다. 

 

토마스 영은 여기서 멈추지 않고 빛이 입자가 아닌 파장임을 밝혀내는 결정적인 실험을 하게 되는데, 바로 그 유명한 빛의 간섭(interference) 증명이다. 그는 창문에 작은 구멍을 내고 빛을 들어오게 한뒤 카드에 두개의 흠집을 내어 빛의 무늬를 관찰했다. 

 

만일 뉴턴의 주장대로 빛이 입자라면 이러한 무늬는 나타나서는 안되기에 아무리 뉴턴이 주장한 빛의 입자성이라도 사람들은 파장론을 신뢰하게 되었다. 여기에 더해 프랑스의 물리학자인 프레넬(Augustin Jean Fresnel, 1788~ 1827)이 호이겐스의 원리와 토마스 영의 주장을 바탕으로 수식적으로 정의해 냄으로서 완전히 빛은 파장이라고 신뢰되게 되었다.

 

James Clerk Maxwell, Heinrich Rudolf Hertz 의 주장 - 빛은 파장이다!

이후 1865년 영국의 물리학자 (James Clerk Maxwell, 1831~1879) 전자기파 이론을 추가적으로 내놓았다. 이에 따르면 빛은 에테르같은 어떠한 매질을 사용하지 않고 자기장과 전기장이 서로 직각을 이루며 두 파장의 진동이 전파되는 방향을 따라서 이동하고 있다고 주장했다. 

또한 동시대를 살았던 독일의 물리학자 헤르츠(Heinrich Rudolf Hertz, 1857~1894) 역시 전자기파는 파동의 성질을 가지고 있다는 것을 실험을 통해서 밝혀냄으로서 빛의 파동성을 가졌다는 아이디어를 더욱 굳히게 되었다.

 

Max Planck의 주장 - 빛은 입자이다!

1900년대가 되서는 막스 플랑크(Max Planck, 1858~1947)가 다시 빛이 입자라는 주장을 한다. 그는 흑체라는 가상의 물질을 바탕으로 이를 설명한다. 흑체란 빛을 완벽히 흡수하는 검은색 물질로 빛이 온전히 흡수되고 방출되는 이상적인 거동을 가정한다. 플랑크가 이론을 발표하기 전에 흑체의 복사에너지와 온도를 설명하는 수식인 슈테판-볼츠만 이론 (s=σT⁴)과 Wilhelm Wien이 이를 수정한 빈의 변위법칙(Wien's displacement law)을 발표했다. 플랑크는 두 이론을 완벽하게 정리하여 완전한 하나의 식으로 정리했다. 

이를 바탕으로 그는 복사에너지가 연속적이 아닌 hv의 양만큼 불연속적으로 양자화 되어있다는 것을 주장했다. 결국 E = nhv라는 수식을 바탕으로 빛의 에너지가 연속적인 에너지가 아니라는 것이 증명되었다. 

 

Albert Einstein 의 주장 - 빛은 입자이다!

뉴턴 이후 최고의 천재인 아인슈타인도 빛에 대해 연구했는데, 그가 발견한 광전효과도 빛이 입자의 성질을 가진다는 증거가 되었다. 금속의 표면에는 자유전자가 존재하는데 그 전자에 일정 에너지 이상의 빛이 입사되면 금속에서 벗어나 광전자가 된다. 하지만 금속을 벗어나기 위해서는 일함수라는 에너지벽을 넘어야 하는데 만일 빛이 파장이라면 아무리 작은 에너지를 가진 빛을 입사시켜도 에너지가 충분히 모이면 에너지 벽을 넘어야 한다. 하지만 광전자는 빛을 입사한 시간이나 세기보다는 빛 자체의 에너지에만 좌우되었다. 

 

이는 빛이 파동이라면 설명될 수 없었고 결국 빛은 양자화된 에너지를 가지는 입자의 특징을 가진다고 이해할 수 밖에 없어졌다. 

 

결국 이러한 무시하기 힘든 실험결과들을 통해 빛은 파장으로서의 특징을 가지면서 입자로서의 특징을 가진다는 이중성을 주장하게 되었다. 그리고 이는 1900년대 이후의 양자역학으로 발전했다. 

 

 

Reference

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재독한국과학기술자협회 총론 : 빛은 무엇인가 (1)

https://www.vekni.org/index.php?mid=menu_info&document_srl=45831 

 

재독한국과학기술자협회 총론 : 빛은 무엇인가 (2)

https://www.vekni.org/index.php?mid=menu_info&document_srl=46697 

 

브런치 매거진 : 빛을 좀 아는 사람들

https://brunch.co.kr/@jwsvddk/64

 

창의적 과학자 토마스 영의 빛의 간섭 이론 형성과정에서의 비유추론을 통한 문제해결과 과학창의성 교육적 함의

영재교육연구 제 23 권 제 5 호 Journal of Gifted/Talented Education 2013. Vol 23. No 5, pp. 817～833

 

양자역학 개론, 광운대학교