[Physical Chemistry] 드 브로이의 물질파 (de Broglie's Matter Wave)

 

광전효과를 통해서 빛의 파동-입자 이중성(wave-particle duality)을 가진다는 것을 알 수 있었습니다. 그 후, 프랑스의 물리학자인 루이 드 브로이(Louis Victor Pierre Raymond de Broglie)가 빛이 입자의 성질을 지닌다는 것이 광전효과로 인해서 증명되었다는 것에서 착안해 입자도 파동의 성질을 가질 수 있다는 것을 밝혀냈습니다.

 

이것이 우리가 흔히 부르는 드 브로이의 물질파(de Broglie's Matter Wave)입니다.

 

# Matter Wave

 

아인슈타인의 상대성 이론(theory of relativity)에 따르면 에너지와 질량의 관계는 다음과 같습니다.

 

Equation (1)

이때까지 살펴봤던 빛의 경우, 광자는 정지 질량(rest mass)이 0이기 때문에 Equation (2)를 유도할 수 있습니다.

 

Equation (2)

그러므로 광자의 모멘텀(Momentum) p는,

이고 파장 λ는,

으로 계산 될 수 있습니다. 드 브로이의 물질파 이론은 광자처럼 입자의 모멘텀과 파장이 계산될 수 있다는 것입니다.

 

드 브로이가 예측한 물질파 이론은 1927년 데이비슨-거머(Davisom-Germer)에 의해 확인된 전자 회절 무늬^[각주:1]를 통해서 증명되었습니다. 

 

Figure 1. Davison-Germer Electron diffraction pattern(Left : X-ray, Right : electron Beam)

Figure 1에서 살펴봐야할 것은 전자기파에 의해 생기는 회절 무늬가 전자를 쐈을 때도 동일하게 나타난다는 것입니다. 특히, 회절 무늬의 간격은 파장 λ와 관련이 있기 때문에 전자의 파장 λ을 측정 할 수 있는 것입니다.

 

즉, 입자의 파동성을 확인할 수 있는 실험이라는 의의를 가지고 있다는 것입니다. 

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1. https://en.wikipedia.org/wiki/Electron_diffraction [본문으로]