원자의 위치를 정확하 알아낼 수 없는이유가 궁금합니다.

Question

어떤 물체든 측정장비를 통해 정밀하게 위치나 상태를 파악하고 있습니다. 그런데 초정밀기계로도 원자의 위치를 대략적으로도 알아내기 어렵다는데 이해가 잘 가지 않습니다. 원자의 위치를 파악할 수 있는 방법은 없는건가요?

Answer 1

원자의 위치를 파악하는 것은 극히 어려운 일입니다. 이는 양자역학의 원리 중 하나인 헤이즌버그의 불확정성 원리 때문입니다. 이 원리에 따르면, 위치와 운동량 등의 물리량은 동시에 정확하게 측정할 수 없으며, 이 중 하나를 측정할수록 다른 하나의 값이 더 불확실해진다는 것입니다. 이를 수식으로 나타내면 Δx * Δp >= h/4π 이 됩니다.

즉, 원자의 위치를 정밀하게 파악하기 위해서는 원자 내부의 전자나 핵 등을 물리적으로 구성하는 입자들의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정하는 것이 필요합니다. 하지만 이는 불가능합니다. 전자나 핵 등을 파악하기 위해 사용되는 광학 혹은 전자기파는 파장이나 진동수가 고정되어 있으며, 원자의 크기와 비교하면 극히 짧은 파장을 가지기 때문에, 이를 이용해 위치를 정확하게 파악하기는 어렵습니다. 또한, 원자 내부의 입자들은 양자적인 성질을 지니기 때문에, 그 위치와 운동량은 정확히 측정되지 않는 한계가 있습니다.

따라서, 원자의 위치를 정밀하게 파악하는 것은 양자역학적 한계 때문에 불가능합니다. 하지만, 원자의 위치를 확률적으로 추정하고 예측하는 것은 가능합니다. 양자역학의 원리를 이용하여, 원자의 위치와 운동량의 확률분포를 계산하고, 그 확률분포를 기반으로 위치를 예측하는 것이 가능합니다. 이러한 방식으로 원자의 위치를 추정하는 것은 분자모델링, 반도체 제조 등의 분야에서 활용되고 있습니다.

Answer 2

안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.

양자역학에서는 원자를 정확히 위치와 운동량을 동시에 알아내는 것이 불가능하다는 불확정성 원리(uncertainty principle)를 제시합니다. 이 원리는 '운동량-위치 불확정성 관계'와 '에너지-시간 불확정성 관계'로 나뉩니다. 즉, 원자의 운동량을 정확하게 알면 위치는 불확실하고, 위치를 정확하게 알면 운동량은 불확실해진다는 것입니다. 이러한 불확정성 원리로 인해 원자의 위치와 운동량은 함께 정확하게 측정될 수 없습니다. 이는 원자가 매우 작고, 이론적으로는 불확실성이 존재하기 때문입니다.