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쉽게 알아보는 양자역학 - 광자와 편광의 개념

양자(量子)는 라틴어 ‘quantus’에서 온 말로 ‘how much’, 양(量) 또는 수량을 뜻한다. 양자 개념을 처음으로 도입한 독일의 물리학자 플랑크(Max Planck)는 에너지의 불연속성에 관한 양자가설을 주장하였다. 백과사전을 찾아보면, 양자는 독일어 ‘quantum’을 번역한 말로서 어떤 물리량이 연속값을 취하지 않고 어떤 단위량의 정수배(양자수)로 나타나는 불연속 값을 취할 경우, 그 단위량을 가리킨다고 되어 있다. 즉 양자 개념은 연속적인 흐름에 반대되는 개념이다.

 

양자역학 중 가장 많은 관심의 대상 ‘광자’

▲ 자연계의 근본적인 4대 힘과 이를 매개하는 입자

전자기장의 양자는 광자(photon)이며, 중력자(graviton)는 중력장의 양자이다. 양자는 다양한 힘이 미치는 장(field)내에 존재하는 불연속적으로 나타나는 최소단위라고 할 수 있으며, 전자, 양성자, 광자, 소립자 등이 힘을 매개하는 입자가 된다. 우리는 늘 빛에 둘러싸여 살고 있기에, 양자 중에서도 광자(빛)가 가장 많은 관심을 받아 왔다. 사실 사물을 본다는 것은 빛, 광자를 직접 본다는 것이 아니라 다양한 빛의 반사, 굴절, 회절 등에 의해서 나타나는 현상을 망막에서 인식하여 본다고 느끼는 것이다.

가시광이 없는 암실에서는 물체 파악이 힘들지만 적외선 카메라를 이용하면 열(적외선이라는 전자기파)을 방출하는 물체를 가시광 없이도 관찰 가능한 것도 감각 수용체(망막, CCD, 적외선 색센서)의 차이 때문이다.

<참고사항>

동물마다 망막의 구조와 빛을 인식하는 파장대가 달라, 동물들이 바라보는 세상과 우리가 바라보는 세상의 모양, 색깔들이 다를 수 있다. 방울뱀은 적외선을 볼 수 있어서 야간에도 온도 차에 의한 먹이 사냥이 가능하고, 황조롱이의 자외선을 볼 수 있는 능력은 넓은 지역에서 들쥐를 찾기 수월하게 해준다. 이처럼 빛은 시각적 정보를 인식하기 위한 대상이며, 우리가 느끼는 가시광선(380-780 nm 파장대)만이 빛은 아니다. 사실 빛(가시광선)은 전자기파의 극히 일부분에 해당한다.

 

그렇다면 광자는 전자, 소립자와 같이 입자라고 할 수 있을까?

쉽게 알아보는 양자역학 - 광자와 편광의 개념

뉴턴(Isaac Newton)은 양자론적 해석은 아니었지만, 암실내 바늘구멍으로 들어오는 빛의 직진성을 통해 ‘빛이 입자가 아닌가’하는 생각을 갖기 시작하였다. 또한 입자 형태의 광자에 속도벡터 개념을 도입하여 물속으로 들어가는 빛의 경우, 입사속도 보다 굴절속도가 더 빠르다고 생각했다. 실제 측정한 값은 뉴턴의 사고와는 정반대이다. 당시에는 뉴턴의 명성에 힘입어 빛의 입자설이 힘을 얻는가 싶었지만, 영(Thomas Young, 1773-1829)의 이중슬릿 실험으로 고전물리학에서는 빛은 여전히 파동이었다.

▲ 좁은 슬릿을 빠져나온 두 줄기의 빛이 파동성임을 알 수 있는 무늬를 형성한 모습

현대물리학에서는 빛이 입자성과 파동성을 가지고 있다(빛의 이중성, wave+particle=wavicle)고 보고 있지만, 입자성과 파동성을 동시에 지니지는 않는다고 정의하고 있다. 즉 빛의 입자성을 보고자 하는 관찰법에서는 빛의 입자성을 관찰할 수 있고, 파동성을 관찰하는 실험에서는 당연히 빛의 성질 중 파동성만 관찰된다고 한다. 양자 개념을 이용한 빛의 입자성에 관한 설명은 광양자설을 발표한 아인슈타인(Albert Einstein)에 의해 전개되었다. 광자에 대한 이해를 통해 추후 전자의 개념과 양성자의 개념까지 발전되어 나간다.

▲ 빛은 전자기파의 하나이며, 전기장과 자기장이 상호 직교하며 앞으로 나아간다. 직교성으로 인해 빛은 직진하게 된다.

 

파동성으로만 설명되는 ‘편광’

태양광이 혼합광으로서 다양한 파장을 지닌 전자기파라는 것은 일상에서 관찰되는 여러 현상을 이해하는 데 도움이 된다. 즉 빛의 반사, 굴절, 간섭, 산란, 편광 등을 이해하면 신기루, 아지랑이, 무지개, 오로라 등과 같은 자연현상을 이해할 수 있게 된다.

파동성으로만 설명되는 '편광'

독특하게도 편광이라는 특징은 유일하게 빛의 이중성 중에서도 파동성으로만 설명된다. 즉, 전기장과 자기장의 직교로 이루어진 전자기파인 빛은 파동성으로만 설명되는 편광(polarization) 특성을 지니고 있다. 이 현상은 1809년 말뤼스(Étienne Malus, 1775-1812)에 의해 발견되었다. 진행방향에 수직한 임의의 평면에서 전기장의 방향이 일정한 빛을 편광(polarized light)이라고 한다. 실제 자연광은 모든 방향의 전기장이 균일하게 포함되어 있어서 편광 되지 않은 빛(unpolarized light)이다.

액정과 편광판의 구성

노트북의 LCD는 두 개의 편광판을 겹쳐두고 전기를 인가하는 여부에 따라 액정(liquid crystal)의 회전을 통해 편광된 빛의 투과를 조절한다. 쉽게 표현하자면 위아래로 흔든 줄에서 발생된 파는 파동의 방향과 직교하는 필터를 통과하지 못하게 된다. 만약에 수면에 빛이 반사되어 물밑의 물체를 볼 수 없을 때, 편광 필터를 사용하면 수면에 반사 되는 편광을 제거할 수 있다. 편광 현미경, 편광 선글라스도 같은 원리를 이용한 것이다.

짧은 글로 광자와 편광의 개념을 소개하였다. 빛이 파동이라고만 믿었던 고전역학은다양한 실험적 증거(흑체복사, 고체열용량, 광전효과, 콤퓨턴 효과, 수소휘선 등)를 통해 입자로 설명되어야 한다는 점을 인식하게 되었고, 추후 드브로이 물질파, 하이젠베르크 불확정성 원리, 슈뢰딩거의 고양이 등을 통해서 이중성을 지님을 재차 확인하였다. 광양자설, 양자론, 초끈이론 등은 자연현상을 미시적 관점에서 이해하고자 하는 인류의 노력에 의해서 도출되었고, 언젠가는 또다시 뒤집어 지면서 새로운 이론과 법칙이 재차 등장할 것이라 본다.

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