케빈과 함께 하는 양자역학이야기-4(광자의 등장)

1905년을 기적의 해라고 합니다. 그 유명한 아인슈타인이 3편의 뛰어난 논문을 연달아 발표했기 때문이지요. 3월에 광전효과, 5월에 브라운 운동 그리고 한달 뒤 6월에는 특수상대성이론을 발표했는데 3편 모두 매우 중요한 논문이었습니다. 여기서는 3월에 발표한 광전효과라는 것을 살펴보겠습니다. 원자는 원자핵과 전자가 있는데 전자들은 약간의 충격으로도 밖으로 나올 수 있습니다. 그래서 금속에 빛을 비추면 금속에 있는 전자가 밖으로 튀어 나오게 됩니다. 이때 빛의 종류나 세기에 따라 전자가 몇 개나 튀어 나오는지 혹은 전자의 에너지가 어떤지 등을 알아보는 것입니다.

그때까지만 해도 빛은 파장으로 되어 있다고 생각했습니다. 그래서 고전역학에서 말하는 것을 전적으로 믿었습니다. 고전역학에서는 빛의 에너지는 파장과는 관계없이 오로지 진폭에 의해서만 결정되는 것이었습니다. 그리고 빛의 밝기(즉 세기)도 진폭에 따른 것이었습니다. 그런데 빛을 금속에 쏘이면 이상한 현상이 일어났습니다. 강한 빛을 금속에 쏘여도 파장이 짧은 빛만 전자를 튕겨내고(파장이 짧은 빛^^*) 파장이 긴 것(파장이 긴 빛 ㅠ_ㅜ;)은 전자를 내보내지 못했습니다. 파장이 짧아도 세기가 약한 빛도 전자를 내보내는데 말입니다.

그리고 파장이 짧을수록 방출되는 전자의 에너지가 크고, 빛의 세기에 따라 방출되는 전자의 개수도 증가했습니다. 고전역학에서 말하는 파장과는 아무런 관련이 없는 것입니다. 이때 아인슈타인은 빛을 에너지 덩어리로 본 것입니다. 그래서 빛이 파장이 길면 하나하나의 에너지 덩어리가 가지는 에너지가 매우 약합니다(덩어리로 보기가 힘들지요) 그래서 전자를 방출하지 못합니다. 하지만 빛의 세기가 약하다고 해도(파장이 짧으면) 빛 덩어리 자체가 큰 에너지 덩어리이기 때문에 전자를 튕겨 낼 수 있는 것입니다.

그리고 고전물리학에서는 세기가 강한 빛, 그러니깐 밝은 빛은 에너지가 많다고 봤는데 아인슈타인은 에너지 덩어리가 많다고 본 것입니다. 에너지 덩어리가 많으면 많은 전자를 튕겨 낼 수가 있지요. 정리해서 말씀드리자면 전자가 튕겨 나오느냐, 아니냐의 문제와 전자가 얼마나 큰 에너지를 가지고 있느냐는 모두 빛 에너지 덩어리(이것이 바로 광자Photon입니다) 하나하나의 에너지 크기에 의해 결정된다는 것입니다.

후에 이러한 아인슈타인의 광전효과에 관한 이론은 콤프턴에 의해 실험으로 증명됩니다.