물리1의 마지막 내용, 물질의 파동성을 다룬 물질의 이중성입니다.
앞에서 빛은 입자성과 파동성을 동시에 나타내는 이중성을 띈다고 했습니다.
입자인 물질도 빛처럼 입자성과 파동성을 동시에 나타냅니다.
어떻게 발견했는지 바로 알아보겠습니다.
물질의 파동성을 나타내는 식
입자인 물질을 파동성과 연결 시키는 엄청난 식입니다.
바로 λ=h/p 또는 p=√2mEk 입니다.
어떻게 나오게 됐는지 알아보겠습니다.
아인슈타인(Albert Einstein)이 광전 효과(photoelectric effect)를 발견하면서 빛은 입자성과 파동성을 동시에 띄는 것이라는 광양자설을 발표합니다.
광양자설에 따르면, 빛이 파동도 아니고 입자도 아니라고 합니다.
이 발표를 보고 1923년 과학자 드 브로이(Louis Victor Pierre Raymond de Broglie)는 생각했습니다.
‘그럼 반대로 물질도 파동성을 띄지 않을까?’
그래서 나온 물질파(matter wave) 또는 드 브로이(de Broglie wave) 공식, λ=h/p 입니다.
여기서 λ = 파장, h = 플랑크 상수, p = 운동량입니다.
이 식은 입자와 파동을 묶는 역할을 합니다.
그리고 운동에너지(Ek) = ½mv² 입니다.
이 식을 바꿔서 보면 운동에너지(Ek) = p²/2m
즉, p=√2mEk 라고 할 수 있습니다.
그러니까, λ = h/p 또는 λ = h/√2mEk 라고 할 수 있습니다.
이 식을 풀어서 이야기하면, 입자가 속력 v로 운동할 때 입자가 운동하는 물질파의 파장의 길이는 질량이 클수록 또는 운동에너지가 클수록 작아집니다.
데이비슨 거머 실험(Davisson–Germer experiment)
1927년 클린턴 데이비슨(Clinton Joseph Davisson)과 레스터 거머(Lester Halbert Germer)는 니켈(Ni)에 느리게 움직이는 전자를 쏩니다.
그랬더니 입사한 전자선과 각도 50도를 이루는 곳에 튕겨져 나오는 전자의 수가 가장 많이 측정됐습니다.
그 이유로 보강 간섭이 일어나서 그렇다고 합니다.
바로 전자가 보강 간섭을 한다는 것을 밝혀냈습니다.
톰슨(Sir Joseph John Thomson)의 실험
1928년 톰슨이 얇은 금속박에 전자를 쏴서 회절 무늬를 얻었습니다.
그런데 이 무늬가 얇은 금속박에 X선을 쏴서 얻은 무늬랑 너무 비슷했습니다.
이 실험으로 ‘입자도 파동성을 띈다’라는 가설에 못을 박아버리는 계기가 됩니다.
그래서 보강 간섭과 상쇄 간섭을 확인하는 빛의 간섭 실험을 전자선으로 똑같이 했더니, 전자선도 똑같이 밝은 무늬와 어두운 무늬가 번갈아 나오는 결과를 나타냈습니다.
전자 현미경(Electron microscope)
드디어 물질의 이중성을 응용한 전자 현미경의 원리입니다.
우리가 흔히 알고 있는 현미경은 광학 현미경으로 시료에 빛을 통과시켜서 보는 것입니다.
빛은 전자기파고 파동의 성질을 이용해서 광학 현미경을 만들었습니다.
전자를 총처럼 빵 쏘면, 전자가 파동처럼 운동하는 전자선을 얻을 수 있습니다.
그럼 전자선=빛의 개념으로 현미경을 만들 수 있는 생각을 할 수 있습니다.
이 물건이 바로 전자 현미경입니다.
여기서 전자를 총처럼 빵 쏘는 과정, 이렇게 음극판과 양극판을 만들어주고 양극판에 구멍을 뚫어 놓으면 끝입니다.
그럼 전기력이 전자에 해준 일의 양이 전자의 운동에너지가 되고, 이 운동에너지가 클수록 파장이 짧은 전자선을 만들 수 있습니다.
수능에서 나오는 전자 현미경은 크게 2가지로 시료를 투과하여 시료의 내부를 볼 수 있는 TEM(Transmision Electron Microscope), 시료의 표면을 3차원 구조로 볼 수 있는 SEM(Scanning Electron Microscope)이 있습니다.
시료를 투과해서 TEM(Transmision Electron Microscope), 스캔해서 SEM(Scanning Electron Microscope)입니다.
이렇게 만든 전자 현미경은 전자기파보다 파장이 훨씬 짧아서 훨씬 더 선명한 화질을 얻을 수 있습니다.
대신 살아있는 생명체는 관찰할 수 없고, 미리 준비가 필요한 단점이 있습니다.
물질의 이중성 정리
지금까지 내용을 정리하겠습니다.
- λ=h/p, p=√2mEk
- 데이비슨 거머 실험 = 전자의 보강 간섭 확인
- 톰슨의 실험 = 전자의 회절 확인 = 전자선의 파동성 확인
- 전자선을 이용한 전자현미경은 TEM, SEM이 있고, 이름 그대로 시료 투과하고 스캐닝하는 현미경입니다