빛의성질은 입자성? 파동성? 둘 다?
빛은 입자인가요? 혹은 파동인가요? 둘 다 인가요?
책에선 빛이 파동이다 라고 말한걸 보았는데 빛의 반사는 빛이 입자여서 가능한게 아닌가요?
빛의 굴절과 반사가 무엇이 다른건가요? 이러한 빛의 성질과 특징이 궁금합니다
안녕하세요. 김학영 과학전문가입니다.빛은 입자와 파동 중 어떤 것인가에 대한 질문은 매우 오랜 시간 동안 과학자들 사이에서 논쟁의 대상이었습니다. 그러나 20세기 초반 빛의 이중성 이론이 제시되면서 빛이 입자와 파동의 성질을 모두 가진다는 것이 입증되었습니다. 이 이론은 빛이 전자기파 형태로 전달되는 파동이지만, 빛의 입자 성질도 존재한다는 것을 보여줍니다.
빛의 입자 성질은 광전효과, 반사, 광학적 회절 등의 현상에서 나타납니다. 이러한 현상은 빛이 입자처럼 작용하고, 입자와 같은 특정한 에너지를 갖고 있기 때문에 발생합니다.
한편, 빛의 파동 성질은 굴절, 산란, 간섭, 회절 등의 현상에서 나타납니다. 이러한 현상은 빛이 파동의 형태로 전달되기 때문에 발생합니다.
빛의 굴절은 빛이 한 매질에서 다른 매질로 들어갈 때, 속도와 방향이 변하면서 일어나는 현상입니다. 이 때 빛의 파장이 변화하면서 굴절이 일어나며, 이는 빛이 매질 내에서 이동할 때 발생하는 파동의 성질에 의해 설명됩니다.
빛의 반사는 빛이 표면에 부딪혀서 되돌아오는 현상입니다. 이는 빛의 입자 성질에 의해 설명됩니다.
따라서, 빛은 입자와 파동의 성질을 모두 가지며, 빛의 성질은 빛이 나타내는 현상에 따라 다르게 나타납니다.
안녕하세요. 김태헌 과학전문가입니다.
빛은 입자적, 파동적 성질을 모두 가지니까 입자, 파동으로 정리했습니다!
1. 입자적 성질(광전효과)
이걸로 아인슈타인이 노벨상을 받았죠!!!!
금속 내의 전자는 원자핵의 전하와 전기력에 의해 속박되어 있다. 금속에 빛을 쬐게 되면 빛을 이루고 있는 광자(photon)가 금속의 전자와 충돌하게 된다. 광자는 빛의 진동수(frequency)에 비례하는 고유한 에너지를 갖는데, 광자가 전자와 충돌할 때 전자는 광자가 가진 에너지를 흡수하게 되고 금속의 전자와 원자핵 사이의 결합 에너지(일 함수, work function) 보다 많은 에너지를 얻게 되어, 전자는 원자 결합에서 자유롭게 방출된다. 이때 전자들은 '양자택일 혹은 흑백논리(all or nothing)'의 원리에 따라 방출 여부가 결정된다. 즉, 큰 에너지를 가진(파장이 짧은 빛) 광자와의 충돌로 인해 일함수 이상의 에너지를 얻을 경우 전자가 방출되는 광전 현상이 발생한다. 하지만 일함수 보다 적은 에너지를 가진 빛(주로 파장이 긴 빛)을 금속에 오랫동안 지속적으로 노출시켜도 방출되지 않는다. 또한 일함수 이상의 에너지를 얻어 방출되었을 때 방출에 사용되고 남은 에너지는 전자의 운동에너지에 기여한다. 즉 방출된 전자의 에너지는 입사되는 빛의 강도에 의존하지 않고 개별 광자의 에너지에 의존된다.
2. 파동적 성질(영의 이중 슬릿 실험)
당시 뉴턴이 입자설을 주장해 묻혔는데, 이 역시 매우 중요한 것임을 후에 인정받았습니다.
이중슬릿 실험은 양자역학에서 실험 대상의 파동성과 입자성을 구분하는 실험이다. 실험 대상을 이중슬릿 실험 장치에 통과 시키면 그것이 파동이냐 입자이냐에 따라 결과 값이 달라진다. 파동은 회절과 간섭의 성질을 가지고 있다. 따라서 파동이 양쪽 슬릿을 빠져나오게 되면 회절과 간섭이 작용하고 뒤쪽 스크린에 간섭무늬가 나타난다. 반면 입자는 이러한 특성이 없으므로 간섭무늬가 나타나지 않는다. 이 두 가지 상의 차이를 통해 실험 물질이 입자인지 파동인지를 구분한다.
1801년 토머스 영은 광자의 이중슬릿 실험을 통해 간섭현상을 증명해냈다. 이 실험의 방법은 단색광을 단일 슬릿S에 입사시켜 이중 슬릿 S1와 S2를 통과하여 스크린에 나타나는 현상을 관찰하는 것이다. 이때 빛이 입자라면 일정한 무늬가 나타나야 한다. 그러나 실험 결과 파동처럼 간섭무늬가 나타났으며, 이것은 빛이 파동성을 가진 것을 의미한다.
안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.
빛은 입자와 파동 두 가지 모두의 성질을 가지고 있습니다. 이를 빛의 이중성(dual nature of light)이라고 합니다.
빛이 파동이라는 개념은 초기에 뉴턴 등의 학자들이 제시한 것입니다. 그러나 이후에 영국의 헤르츠(Hertz) 등의 학자들은 빛이 파동으로 설명할 수 있는 현상 외에도 빛이 입자로서의 성질을 보이는 것을 발견하고, 이를 광전효과와 광전자설을 통해 설명하였습니다.
반사는 빛이 입자로서의 성질을 보이기 때문에 가능한 것은 아닙니다. 반사는 빛이 수면, 거울 등의 표면에 닿아서 튕겨져 나오는 현상으로, 빛의 파동성을 이용하여 설명할 수 있습니다.
반면, 굴절은 빛이 매질을 통과할 때 굴절률이 다른 두 매질의 경계면에서 방향을 바꾸는 현상입니다. 이 현상은 빛의 파동성을 이용하여 설명할 수 있습니다.
빛은 전자기파로서 파동의 성질을 가지고 있기 때문에, 파동의 성질로서 광파동이나 광선 등의 형태로 나타납니다. 또한, 빛은 입자로서의 성질을 가지고 있기 때문에 광자(photon)라는 입자로 나타납니다.
이처럼 빛은 파동과 입자의 성질을 모두 갖고 있으며, 이를 이용하여 많은 빛의 현상을 설명할 수 있습니다.