49) 슈뢰딩거 방정식의 탄생 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger)는 드브로이의 물질파 가설에 매료된 사람 중 한 명이었다. 그는 전자가 핵 주위에서 정상파로 존재한다는 이야기를 듣고, 정상파는 평면적인 것이 아닌 3차원적으로 존재해야 한다고 주장하기도 하였다. 그러면서 그는 파동성이 물질의 실체적 속성이고, 입자성은 단지 부수적 현상에 불과하다고 생각하였다. 모든 물리 현상들은 근본적으로 파동 현상이고, 따라서 물리학은 파동 현상들을 기술해야 한다는 것이다. 그는 이러한 자신의 생각을 바탕으로 유럽 곳곳에서 강연을 하였다. 1925년 말 슈뢰딩거는 '물질의 파동성에 대한 자연적 특징'이라는 제목의 강연을 하였는데, 이때 조머펠트의 제자인 디바이(P. Debye)와의 대화에서 물질파의 시공간..
47) 물질파의 거동 앞서 보어의 원자 모형은 전자가 핵 주위에서 특정 궤도만을 돌 수 있고, 각운동량이 양자화되어 있어서 전자는 정상 궤도를 유지한다는 가정을 해야만 했다. 때문에 왜 하필 전자가 이러한 거동을 보이는지에 대해서는 일절 설명할 수 없었고, 이는 양자도약과 더불어 당시의 원자모형의 문제점이었다. 그러나 1924년, 드브로이는 물질파 이론으로부터 보어의 원자 모형의 문제를 해결하게 된다. 드브로이의 생각은 이러하다. 자신의 물질파 이론에 의하면 전자 또한 파동의 성질을 가지는 물질파이고, 전자가 양자화된 각운동량을 가지고 특정 궤도를 유지하면서 운동한다는 것이 사실이라면, 전자가 '정상파'이어야 한다. 정상파는 단지 위아래로만 움직이고, 앞뒤로 진행하지 않는다. 즉 에너지나 운동량을 다른 ..
46) 물질파의 검증 드브로이가 처음 주장했던 물질파 가설은 1927년 데이비슨(C. Davisson)-거머(L. Germer) 실험과 톰슨(G. Thomson)의 전자회절실험을 통해 입증되었다. 데이비슨과 거머가 실행한 실험의 장치는 Figure 1과 같다. 우선 외부 입자들간의 상호작용을 막기 위해 진공 챔버 안에서 실험을 진행한다. 가열한 필라멘트에서 방출된 열전자들을 전기포텐셜 차이를 통해 가속시킨 뒤 니켈 결정 표면에 수직으로 입사시킨다. 이후 이동이 가능한 검지기를 통해 니켈 결정에 부딪혀서 각기 다른 각도로 산란된 전자들의 수를 측정한다. 니켈 결정은 Figure 2의 오른쪽 처럼 원자들이 배열되어 있는 평면(Blagg 평면)으로 이루어져 있다. 이때 평면들 사이의 간격인 격자상수는 각 물질..
44) 양자 도약 1923년에 들어서면서 보어-조머펠트 원자 모형이 가지고 있던 몇 가지 심각한 문제점들이 대두되었다. 우선 보어 원자 모형과 마찬가지로 다전자 원자에 대해서는 설명이 잘 맞지 않는 것과, 왜 각운동량이 양자화되어 시간에 따라 속도가 줄어들지 않는 정상궤도를 만드는 지에 대한 설명이 불가능했다. 그리고 전자가 불연속적인 에너지 준위를 이동할 때, 즉 전이하는 과정에서 전자는 어디 있었는지에 대한 물음인 '양자 도약'(Quantum jump)를 설명할 수 없었다. 전자는 불연속적인 에너지 준위를 가지고, 이곳이 아닌 다른 에너지 준위에 머무를 수는 없다. 그렇다면 어떤 에너지 준위 $E_i$에서 $E_f$로 이동할 때, 그 사이에는 도대체 어디 있었냐는 것이다. 두 준위 사이에 존재하는, ..
42) 프랑크-헤르츠 실험 프랑크(J. Franck)-헤르츠(G. Hertz) 실험은 보어의 원자 모형에서 가정한 전자의 에너지의 양자화를 실험적으로 확인시켜준 실험이다. 실험 장치는 Figure 1-(a)와 같다. 기본적으로 실험 장치는 수은 증기가 들어있는 가이슬러관에 열전자가 튀어나오는 필라멘트와 열전자를 가속시키는 그리드, 그리고 그리드를 통과한 전자들을 수집하는 플레이트(양극)로 구성된다. 그리드는 필라멘트에 대해 (+) 전위를 가지며 가속전압 $V$의 크기를 바꿀 수 있다. 플레이트((+)극)는 그리드에 대해 전위가 낮아서 역전압 $V_0$가 걸린다. 따라서 그리드를 통과한 전자는 속도가 줄어들어 플레이트에 모여들어 전류의 형태로 나타난다. 그리드와 플레이트 사이에 역전압을 걸어주는 이유는, ..
