많은 분들이 재미없어 하시는 물리에 관한 글인데 생각보다 많은 분들이 추천해 주셨네요..ㅎㅎ
글이 그냥 묻히면 사실 주말쯤에 다시 글을 올리려고 했는데, 기다리시는 분들이 있을 것 같아 오늘 올립니다. 그리고 빛의 입자성뿐만 아니라, 입자의 파동성까지 내용에 포함시키겠습니다.

그 동안 물리 공부를 해오면서 많은 학생들이 왜 물리를 싫어하는지에 관해서 고민하던 적이 있었습니다. 그러다 학교에서는 물리가 아닌 수학을 배운다고 느낄 정도로 수학적인 문제 풀이에만 치중되어 있기 때문이라는 결론이 나왔습니다. 한때, 고등학교 물리 교사가 되어 물리를 학생들에게 알려주겠다는 꿈이 있었지만, 제가 원하는 수업을 할 수 없을 것 같아 포기하게 되었습니다.

나중에 물리를 공부하면 정말 재미있는 현상들을 많이 공부하게 됩니다. 그런데 많은 학생들이 이런 재미를 느끼기 전에 수학에 지쳐 흥미를 잃곤 합니다. 처음 공부하실 때에는 수학에 너무 치중하지 마세요. 수업 중에 수식이 이해가 안되면 그 부분은 체크해 두시고, 다음 설명을 계속 들으세요. 물리적인 현상이 이해가 되고, 흥미를 느끼게 되면 자연스럽게 물리의 실력이 늘어날 것입니다.

이제 본론으로 들어가겠습니다. 어제 흑체복사 등에 대해서 간단히 언급만 하고 끝났었는데요. 개념적인 것을 짚고 넘어가겠습니다.

1. 흑체복사

흑체복사는 말 그대로 까만 물체에서 나오는 빛이란 뜻입니다. 흑체복사는 조그만 구멍이 뚫려있는 공동(금속으로 되어있는 속이 텅 빈 구)을 이용합니다. 속이 텅 빈 공동에 작은 구멍을 뚫고 안을 들여다보면 완전히 까맣게 보이겠죠? 이해가 안되시면 장롱 문을 닫아놓고 장롱문틈 사이로 안을 들여다보세요. 내부가 전혀 보이지 않을 겁니다. 그러니 작은 구멍 하나 뚫어놓으면 당연히 완전히 까맣게 보이게 됩니다. 

이제 이 공동에 불을 뗍니다. 그러면 공동에서 조그만 구멍을 통해 빛을 방출합니다. 쇠를 달구면 빨갛게 변하는 것 아시죠? 여기서 나온 빛을 진동수-에너지 그래프로 그리면 종 뒤집어 놓은 모양의 그래프가 그려지게 됩니다. 하지만 오랜 시간이 흘러도 왜 이런 모양의 그래프가 그려지는 지 알 수가 없었습니다. 1900년에 플랑크라는 사람이 우연히 급수를 이용해서 문제를 풀면서 수식적으로는 해결했지만, 왜 그런지는 알지 못했습니다. 그래서 발표를 망설이다 가족들의 권유로 일단 발표를 하게 됩니다. 논문에서 h라는 상수를 사용하였는데, 이것이 가지는 물리적인 의미도 전혀 알지 못했습니다. 어쨌든 물리학계에서는 플랑크가 흑체복사 논문을 발표한 날을 양자역학의 탄생일로 생각하고 있습니다.

2. 광전효과
1800년대 후반쯤에 광전효과라는 현상이 관측이 됩니다. 금속판에 빛을 쪼이면 전자가 튀어나오는 현상을 관측한 것입니다. 하지만 이 문제 역시 고전물리로는 설명이 안되었습니다. 고전물리에 의하면 빛은 파동이기 때문에, 빛을 쪼여준 후에 금속판이 일정온도 이상이 되어야 전자를 방출할 수 있습니다. 하지만 빛을 쪼이자마자 바로 전자가 방출되었습니다. 한가지 또 이상한 점은 빨간색 빛은 아무리 강하게 비춰도 전자는 하나도 튀어나오지 않았는데, 푸르스름한 빛은 희미하게 살짝만 쪼여줘도 바로 전자가 튀어나왔습니다. 20여 년 동안 이 문제를 풀지 못하게 됩니다. 


3. 원자의 스펙트럼

원자에서 스펙트럼 선이 나오는 것은 오래 전부터 관측이 되었습니다. 하지만 왜 스펙트럼 선이 나오는 지는 상당히 어려운 문제로 남아 있었습니다. 그러다 톰슨은 원자에 건포도처럼 전자가 박혀있는 원자모델을 제시했습니다. 많은 분들이 전자가 박혀서 가만히 있는 모델인줄로 알고 계시는데 톰슨이 제시한 것은 전자들이 박혀서 제자리에서 진동운동을 하는 모델이었습니다. 진동운동을 하기 때문에 스펙트럼선이 나온다고 주장을 했지만, 치명적인 오류가 있었습니다. 전자기학에 의하면 가속도 운동을 하는 전자는 에너지를 방출합니다. 에너지를 방출하게 되면 속도가 줄어들게 됨으로써, 전자가 결국 핵에 달라붙게 됩니다. 실제로 이런 일이 일어난다면, 지구상의 모든 물체는 1/100000 정도로 크기가 줄어들었을 겁니다.
나중에 발머는 이러한 수소 스펙트럼 선이 간단한 규칙을 따른다는 것을 발견했습니다. 하지만 왜 그런지는 알 수 없었죠. 

그러다 1905년 특허국의 별볼일 없는 직원이었던 아인슈타인이 3가지 논문을 발표하게 되어 과학의 패러다임이 급속도로 바뀌게 됩니다.

다음 편에 계속