3. 흑체복사black body radiation

과학자들이 흑체복사를 연구하는 과정에서 에너지가 양자화 되어 있다는 사실이 밝혀집니다. 모든 물체는 전자기파형태의 복사에너지를 방출합니다. 이때 방출되는 물체의 온도에 따라 복사에너지의 세기와 파장이 결정됩니다. 온도가 높은 물체는 파장이 짧은 전자기파를 내고 온도가 낮은 물체는 파장이 긴 전자기파를 냅니다. 또한 온도가 높은 물체가 내는 전자기파의 세기도 강해집니다. 그리고 온도가 낮은 물체가 내는 전자기파의 세기는 약해지지요. 다시 말해, 온도가 높은 물체가 내는 전자기파는 파장이 짧고 세기가 강합니다. 반대로 온도가 낮은 물체가 내는 전자기파는 파장이 길고 세기가 약합니다. 여기서 물체가 내는 전자기파의 파장과 세기가 온도에 따라 어떻게 결정되는지를 설명하는 것이 바로 흑체복사의 문제였습니다.

우리가 물체를 가열하면 물체는 처음에는 붉은색을 띠지만 점점 뜨거워짐에 따라(물체의 온도가 올라감에 따라) 점차 푸른색으로 변합니다. 우주에 있는 별들도 별빛의 색깔을 보고도 별의 표면 온도를 알 수 있는 것도 바로 이 때문입니다.

흑체복사의 문제가 어려웠던 것은 물체가 내는 복사선의 세기를 나타내는 복사곡선에 대해서 아무도 설명 못한다는 것이었습니다. 아무도 흑체복사의 매끈한 복사곡선의 그래프를 보지 않고 아무것도 모른다는 전제하에서 이야기를 하자면, 고전역학에서는 빛을 파동이라고 생각했습니다. 파동에서 가장 중요한 것이 파장, 영어로는 wave length입니다. 파장이라는 말의 느낌이 오시죠?! 주어진 시간 안에 얼마나 많이 올라갔다 내려갔다 하느냐입니다. 즉 얼마냐 진동을 하느냐의 문제입니다. 만일 파장이 길다면 그 파장이 방출하는 에너지는 적을 것입니다. 반면에 파장이 짧다면 그 파장이 방출하는 에너지는 많을 것입니다. 그렇다면 파장이 한없이 짧아진다면 어떻게 될까요? 방출하는 에너지가 급격하게 늘어나겠지요. 만일 파장이 무한대로 짧아지면 에너지도 무한대로 늘어날 것입니다. 여기서 과학자들의 고민이 시작된 것입니다.
이는 물체가 에너지를 연속적인 양으로 방출하거나 흡수하기 때문이라고 가정했기 때문입니다. 이런 흑체복사의 문제를 해결한 사람이 바로 플랑크Planck였습니다. 풀랑크는 파장이 짧은 전자기파는 진동수가 크기 때문에 큰 에너지 덩어리이고, 파장이 길어 진동수가 작은 전자기파는 작은 에너지 덩어리라고 생각을 했습니다(멋진 아이디어였습니다) 그래서 어떤 물체가 특정 전자기파를 낼 때 이 전자기파가 가질 수 있는 에너지를 자신이 만든 플랑크상수에 진동수를 곱한 값의 정수배만큼만 가능하다고 결론지었습니다. 플랑크상수에 진동수를 곱한 값의 정수배. 정수배! 이것은 에너지를 덩어리로 본다는 것이지요.
바로 양자의 탄생입니다. 그리고 뉴턴의 고전역학이 무너지는 것이지요.
이렇게 에너지가 양자화 되어 있다는 것은 에너지가 연속적인 값을 가지는 것이 아니라 불연속적인 값을 갖는 다는 것을 의미하는 것입니다.

플랑크상수Planck constant의 값(h)은 6.626×10-34J·s(확 암기가 되시지 않나요? 오히려 이런 것을 암기 못하는 사람들이 이상하게 느껴져야 합니다)입니다. 플랑크상수는 에너지의 최소 단위입니다. 그런데 -34승이라니 놀랍지 않은가요? 저걸 어떻게 알아냈는지, 참 대단합니다. 이렇게 작으니 우리의 감각으로는 에너지가 연속적인 것으로 보이지 불연속적인 것으로 느껴지지도 않고 보이지도 않는 것입니다. 하여간 이 플랑크에 의해 전자기파의 에너지는 플랑크상수 크기를 가지는 작은 알갱이라는 것이 밝혀졌는데 정작 본인은 에너지가 양자화되어 있다는 아이디어를 별로 좋아하지 않았다고 합니다.
하지만 양자화된 에너지가 불연속적인 값을 가진다는 것은 훗날 덴마크의 물리학자 보어에 의해 다시 증명이 됩니다.


ps)지난 토요일과 일요일, 이틀 동안 양자역학에 관한 글을 썼습니다. 그래서 한꺼번에 올리려고 했었지요. 하지만 그러면 너무 양도 많고 읽는 분들이 지루 할 것 같아서 나누어 올립니다.