[Physical Chemistry] 고전역학적으로 설명이 불가능한 실험 (Puzzling Experiments)

 

# Blackbody Radiation

 

전기난로의 버너가 가열되면 온도가 상승함에 따라서 흐릿한 적색으로 변했다가 점차적으로 적색으로 변하는 것을 볼 수 있습니다. 이러한 물질이 가열될수록 복사선이 흰색으로 변한 다음에 다시 파란색으로 변하게 됩니다.

 

흑체(Blackbody)란 진동수와 입사각에 관계없이 입사하는 모든 전자기 복사를 흡수하는 이상적인 물체를 뜻합니다. 열평형 상태에 있는 흑체는 흑체복사라는 전자기 복사를 방출하는데, 특정한 색을 가지는 이 빛은 흑체의 온도에 의해서만 결정되는 특징이 있습니다.

 

Fig 1. Blackbody Radiation

^[각주:1]Figure 1에서 고전역학(Classical theory)에 의해 예측된 흑체복사의 그래프와 실제 흑체복사 그래프가 다른 것을 쉽게 확인 할 수 있습니다. 고전역학적으로 예측된 그래프는 레일리-진스의 법칙(Rayleigh-Jeans law)으로 파장이 매우 긴 영역에서는 실제 흑체복사 그래프와 잘 맞아떨어지지만 파장이 짧은 영역에서는 확이한 차이를 확인할 수 있습니다.

 

특히, 레일리-진스의 법칙(Rayleigh-Jeans law)에 따르면 파장이 매우 짧아지면 흑체복사의 세기가 비정상적으로 크게 예측되어서 무한대로 커지게 되는데, 이를 우리는 자외선 파탄(Ultraviolet catastrophe)이라 부릅니다. 

 

이를 통해서 흑체복사를 고전역학적으로 접근한 레일리-진스 법칙은 흑체복사를 설명하지 못한다는 것을 확인 할 수 있는 것입니다.

 

# Photoelectric Effect

Figure 2. Photoelectric Effect 

^[각주:2]광전효과(Photoelectric Effect)는 금속 등의 물질에 빛을 조사하면 전자를 내놓은 현상입니다. 광전효과를 이해하기 위해서 일함수(Workfunction, Φ)를 알아야 합니다. 전자는 금속 표면의 핵에 의한 Attractive Coulomb potential 때문에 묶여 있는데, 이를 이겨내고 전자를 방출시키는데 필요한 에너지를 일함수라고 합니다.

 

고전역학에 의하면 금속에 빛을 조사하면 방출되는 전자의 에너지는 Equation (1)과 같이 표현됩니다.

 

Equation (1)

즉, 방출되는 전자의 에너지는 조사되는 빛의 세기(Intensity)에 비례한다는 것입니다. 하지만 실제 광전효과 실험을 통해 관측된 방출되는 전자의 에너지는 조사되는 빛의 진동수(Frequency)에 비례한다는 결과를 보여줍니다. 고전역학의 경우 빛은 전자기파 그 자체라고만 생각했기 때문에 빛의 입자성을 보여주는 실험인 광전효과를 설명하지 못하는 것입니다.

 

# Hydrogen Atomic Spectrum

 

고전역학에 따르면 에너지는 항상 연속적이 여야 합니다. 그러나 수소 기체에 높은 온도 또는 방전을 시키게 되면 특정한 파장에서만 선이 나타나는 선 스펙트럼을 보여줍니다. 

 

Fig 3. Hydrogen Emission Spectrum 

^[각주:3] 수소 방출 스펙트럼에서 특정한 파장이 나타난다는 것은 수소 원자의 에너지 준위가 연속적인 것이 아닌 특정한 에너지 준위만이 존재한다, 즉 에너지가 양자화(Quantization)되어 있다는 것을 의미합니다. 수소 방출 스펙트럼에 대한 연구를 통해서 방출되는 에너지는 Equation (2)로 계산될 수 있습니다.

 

Equation (2)

# So What?

 

우리는 위에서 알아본 실험들을 통해서 고전역학의 한계점을 알게 되었습니다. 즉, 고전역학으로는 흑체복사와 광전효과, 수소 방출 스펙트럼을 설명하지 못한다는 것입니다. 이러한 실험의 결과를 설명하기 위해 새로운 이론의 필요성이 대두하게 되었고, 그것이 양자역학의 시발점이 된 것 입니다.

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1. en.wikipedia.org/wiki/Black_body [본문으로]
2. https://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B4%91%EC%A0%84_%ED%9A%A8%EA%B3%BC  [본문으로]
3. ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%A9%EC%B6%9C_%EC%8A%A4%ED%8E%99%ED%8A%B8%EB%9F%BC [본문으로]