물리학 고2 빛과 물질

광자 (포톤)

Q: 광자는 알갱이인가요, 파동인가요?

둘 다입니다. 간섭·회절에서는 파동처럼, 광전 효과·콤프턴 산란에서는 입자처럼 행동합니다. 심지어 E = hf와 p = h/라는 식 자체가 입자량(E, p)과 파동량(f, )을 h로 이어 놓고 있습니다 — 빛과 물질의 이중성의 핵심입니다.

Q: 광자는 왜 항상 광속으로 움직이나요?

질량이 0인 입자는 c로만 존재할 수 있기 때문입니다. 광자에게는 '정지한 관성계'가 없습니다. 그래서 광자의 '정지 질량'을 재는 일 자체가 의미가 없고, 대신 에너지와 운동량으로만 기술합니다.

빛의 에너지가 hf 단위의 광자로 불연속적으로 존재하며, 광자의 운동량은 p=h/λ임을 이해한다.

빛에너지는 연속으로 흐르는 것이 아니라

E = h f

크기의 낱개 덩어리로 존재하며, 이 덩어리를 광자라고 합니다. 광자는 질량이 없지만 운동량

p = h / λ

를 가집니다.

수도꼭지에서 물이 줄줄 흐르는 줄 알았는데, 아주 확대해서 보니 똑같은 크기의 물방울이 하나씩 떨어지고 있었던 셈입니다. 빛도 '반 개'는 없습니다.

쉽게 말하면

흑체 복사에서 플랑크는 에너지를 주고받는 단위가 $h f$ 라고 가정했습니다. 아인슈타인은 여기서 한 발 더 나갑니다 — 주고받는 방식만 그런 게 아니라, 빛 자체가 $h f$ 짜리 알갱이로 이루어져 있다고요.

$E = h f = \frac{h c}{λ}$

밝기와 색은 완전히 다른 것이 됩니다. 색(진동수)은 광자 한 개의 에너지를 정하고, 밝기는 광자의 개수를 정합니다. 아무리 밝은 빨간빛이라도 광자 한 개의 에너지는 어두운 보랏빛 광자보다 작습니다. 이 구분이 광전 효과를 설명하는 열쇠가 됩니다.

광자는 정지 질량이 0입니다. 그런데도 운동량이 있습니다. 상대론적 운동량과 에너지의 관계식 $E^{2} = (p c)^{2} + (m c^{2})^{2}$ 에 $m = 0$ 을 넣으면 $E = p c$ 이고, 여기에 $E = h c / λ$ 를 넣으면 다음이 나옵니다.

$p = \frac{E}{c} = \frac{h}{λ}$

이 운동량이 진짜라는 것을 실험으로 못 박은 것이 콤프턴 산란입니다. 광자가 전자를 당구공처럼 때려서 튕겨 내니까요.

광자는 생물학에도 등장합니다. 광합성에서 엽록소가 흡수하는 것은 '빛 얼마'가 아니라 광자 한 개이며, 광자 하나가 전자 하나를 들뜨게 합니다 — 광계 I·II가 그 무대입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

빨간빛 광자와 보랏빛 광자

$E = \frac{h c}{λ}$

파장이 짧을수록 광자 한 개의 에너지가 큽니다. 그래서 자외선은 피부 세포의 분자 결합을 끊을 수 있지만, 적외선은 아무리 세게 쬐어도 그런 일을 하지 못하고 그저 데울 뿐입니다.
예시 2

밝기를 올려도 안 되는 일이 있다

어두운 자외선 램프는 형광 물질을 빛나게 하는데, 아주 밝은 빨간 레이저는 못 합니다. 필요한 것은 '총 에너지'가 아니라 '광자 한 개의 에너지'이기 때문입니다. 광자 개념 없이는 이 사실을 설명할 수 없습니다.
예시 3

복사압 — 빛이 물체를 민다

$p = \frac{h}{λ}$

광자에 운동량이 있으므로 빛이 물체에 부딪히면 힘을 줍니다. 아주 약하지만 실제로 존재하며, 혜성의 꼬리가 태양 반대편으로 뻗는 데 기여하고 태양돛 같은 추진 방식의 원리이기도 합니다.

자주 하는 오해

밝은 빛일수록 광자 하나의 에너지가 크다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움빛을 밝게 하면 광자의 에너지가 커진다

실제로는밝기는 초당 지나가는 광자의 개수입니다. 광자 하나의 에너지는 오직 진동수(색)로만 정해집니다.

E = h f

에 밝기는 들어 있지 않습니다. 이 구분이 광전 효과의 문턱 진동수, 즉 '아무리 밝아도 붉은빛으로는 전자가 안 튀어나오는' 현상을 설명합니다. 광자 개념의 존재 이유가 바로 이 구분입니다.

질량이 없으면 운동량도 없다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

p = m v

인데

m = 0

이니 광자의 운동량은 0이다

실제로는

p = m v

는 뉴턴 역학의 정의이고, 광자에는 쓸 수 없습니다. 광자의 운동량은

p = h / λ

이며 0이 아닙니다.

상대론에서 성립하는 것은

E^{2} = (p c)^{2} + (m c^{2})^{2}

입니다.

m = 0

이면

E = p c

가 되어, 에너지가 있는 한 운동량도 있습니다. 운동량이 '질량 × 속도'라는 생각을 내려놓아야 합니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

흑체 복사고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

광전 효과고2 콤프턴 산란고2

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

광계 I·II고3

같은 단원의 개념 — 빛과 물질

자주 묻는 질문

Q1광자는 알갱이인가요, 파동인가요?

둘 다입니다. 간섭·회절에서는 파동처럼, 광전 효과·콤프턴 산란에서는 입자처럼 행동합니다. 심지어

E = h f

와

p = h / λ

라는 식 자체가 입자량(

E

p

)과 파동량(

f

λ

)을

h

로 이어 놓고 있습니다 — 빛과 물질의 이중성의 핵심입니다.

Q2광자를 반으로 쪼갤 수 있나요?

없습니다. 광자는 흡수될 때 통째로 흡수되거나 아예 흡수되지 않습니다. 에너지가 모자란 광자 두 개를 합쳐 전자를 하나 떼어내는 일도 보통의 세기에서는 일어나지 않습니다.

Q3광자는 왜 항상 광속으로 움직이나요?

질량이 0인 입자는

c

로만 존재할 수 있기 때문입니다. 광자에게는 '정지한 관성계'가 없습니다. 그래서 광자의 '정지 질량'을 재는 일 자체가 의미가 없고, 대신 에너지와 운동량으로만 기술합니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 물리학 · 빛과 물질 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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