Quantum Jump, Quantum Leap 양자도약

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Quantum Jump, Quantum Leap 양자도약

스페이스타임 2022. 5. 9. 13:48

리처드 파인만이 말했다.

"앙자역학을 이해한 사람은 아무도 없다."

노벨상 수상자도 이해 못한다는 양자역학에서

우리가 필요한 개념만 가져오면 된다.

앞으로도 양자역학을 잘 몰라도 상관없다.

우리가 원하는 것만 이해하기로 하자.

양자도약(Quantum Jump)이란 말은 양자물리학의 개념이다.

이는 양자의 에너지가 불연속적으로 흡수 또는 방출되는 현상이다.

고전물리학에서는

원자의 궤도에 대해서

그리고 에너지에 대해서

결국 모든 물질에 대해서

일정한 운동, 즉 연속적인 흐름으로 가정했다.

사실 여기에 대해 아무런 의심도 하지 않았다.

실제로 누구도 원자를 직접 보거나 확인한 것은 아니므로, 원자 단계에 대해서도 당연히 일정한 운동 혹은 연속적인 흐름이 진행될 것이라고 생각한 것이다.

문제는 양자학자들이 '원자 내부에서 전자가 불연속적으로 궤도를 '도약'하는 현상, 즉 중간 과정없이 즉각 궤도를 이동한다는 이론을 제기하면서 시작되었다.

▶보충

고전물리학자들이 원자 모형을 두고 설전을 벌이고 있었다.

닐스 보어가 먼저 시동을 걸었다.

보어의 원자 모형을 들고 나온 것이다. 전자가 궤도를 따라 운동한다는 개념이다. 전자들이 다른 에너지 준위를 가진 오비탈(oribital)로 이동할때 위치에너지 차이로 빛에너지가 나온다는 주장을 했다.

젊은 하이젠베르크가 의문을 제기했다. 그는 불확정성 원리(Uncertain Principle)을 주장했다. 그는 보어의 원자 모형의 궤도를 없앤 전자구름 모형을 만들었다. 31세 나이에 노벨물리학상을 수상했다.

그러나 1926년 아인슈타인과 하이젠베르그의 논쟁에 기름을 붓는 슈뢰딩거 논문이 나왔다. 슈뢰딩거는 하이젠베르크가 지워버린 원자모형에 다시 전자 궤도를 가져왔다. 이후 전자가 입자와 동시에 파동의 성질을 지니고 있다는 파격적인 논문을 내놓았다. 하지만 이후에 다시 양자도약의 문제는 해결되지 않았다. 이후 슈뢰딩거의 고양이까지...

그리고

양자도약을 모두 인정하게 되었다.

[참고자료] https://www.ksakosmos.com/post/%EC%96%91%EC%9E%90%EB%8F%84%EC%95%BD%EC%9D%84-%EC%98%88%EC%B8%A1%ED%95%98%EB%8B%A4-%EC%96%91%EC%9E%90%EC%97%AD%ED%95%99%EC%9D%98-%EC%9E%85%EB%AC%B8%EA%B3%BC-%ED%98%84%EC%9E%AC%EA%B9%8C%EC%A7%80

에너지 흐름이 불연속적이라는 것은, 위의 그림처럼 공이 비탈을 미끄러지듯이 굴러가는 것과 계단을 내려가듯이 통통 튀어서 가는 것으로 비유할 수 있다. 즉 계단으로 내려가는 것은 연속적으로 움직이는 것이 아니라, 미리 정해진 위치로 이동한다는 의미이다.

닐스 보어의 원자 모델에 의하면, 전자는 미리 정해진 궤도에만 존재한다. 즉 궤도와 궤도 사이에는 존재할 수 없다는 뜻이다. 이 때문에 에너지 불연속성이 나타난다는 이론이다.

위의 그림처럼, 원자 모형에서 전자가 바깥쪽에서 안쪽 궤도로 이동한다면, 자체 보유한 에너지가 줄어들어서, 물질이 안정화되며, 이때 남은 에너지는 빛과 같은 형태로 방출된다고 한다. 반대로 외부의 에너지를 흡수하면 전자가 바깥 궤도로 이동할 것이다.

이렇게 전자가 궤도를 여러 단계 이동할 때, 이동 폭에 따라 각기 나오는 빛이 다르며, 이 때 발생하는 빛의 색은 일정하다는 점을 이용하여 디스플레이는 다양한 색을 낼 수 있다. (이 기사를 읽어보면, 그래서 삼성디스플레이를 만들 수 있다는 이야기다)

에러한 에너지 불연속성을 발견하게 된 계기는, 1752년 스코틀랜드 천문학자인 멜빌(Thomas Melvill, 1726-1753)로 뜨겁게 달궈진 발광 기체에서 나온 빛을 스펙트럼으로 분석한 것이라고 한다.

전자 궤도 이동에 따른 선 스펙트럼 발생 - 이미지출처: 삼성디스플레이 뉴스룸

수소는 원자핵과 전자 1개를 가진 가장 단순한 원소로, 자주 실험에 사용한다. 멜빌의 방법대로 수소도 가시광선 영역에서 4개의 선 스펙트럼이 관찰된다. 각각 656(빨강색), 486(청록색), 434(녹색), 410(보라색) nm의 파장을 지닌 빛으로 분리된다. 이것은 고전물리학으로 설명이 안되는 현상이었다.