물리학 고2 빛과 물질 심화

빛과 물질의 이중성

빛과 전자가 입자와 파동의 성질을 동시에 나타내는 이중성을 이중 슬릿 실험으로 확인한다. (12물리03-03)

빛도 전자도 실험에 따라 파동의 성질과 입자의 성질을 모두 드러내지만, 한 실험에서 두 성질이 동시에 나타나지는 않는다는 것입니다.

원기둥을 옆에서 비추면 그림자가 직사각형이고 위에서 비추면 원입니다. 원기둥이 '반은 사각형, 반은 원'인 것도 아니고 도중에 변신하는 것도 아닙니다. 어느 쪽에서 보느냐에 따라 다른 면이 드러날 뿐입니다.

쉽게 말하면

빛은 오랫동안 파동이었습니다. 빛의 파동성과 간섭과 이중 슬릿 간섭에서 보듯, 두 슬릿을 지난 빛은 밝고 어두운 줄무늬를 만듭니다. 알갱이가 날아간다면 절대 만들 수 없는 무늬입니다. 그런데 광전 효과와 콤프턴 산란은 빛이 에너지와 운동량을 가진 알갱이처럼 전자와 당구공 부딪듯 충돌한다는 것을 보여 주었습니다.

물질파(드브로이파)는 이 이야기를 반대편에서도 확인했습니다. 알갱이인 줄 알았던 전자를 이중 슬릿에 통과시키면 빛과 똑같은 간섭무늬가 나옵니다. 결정적인 실험은 전자를 아주 약하게, 한 번에 한 개씩만 쏘는 것입니다. 처음에는 화면에 점이 하나씩 무작위로 찍힙니다 — 명백히 입자입니다. 그런데 그 점을 수만 개 쌓으면 간섭무늬가 서서히 떠오릅니다 — 명백히 파동입니다. 전자 하나하나가 이미 그 무늬를 '알고' 찍힌 것입니다.

여기서 자연스러운 질문이 나옵니다. 그 전자는 두 슬릿 중 어디로 지나갔을까요? 검출기를 놓아 경로를 알아내려고 하면, 그 순간 간섭무늬가 사라지고 슬릿 두 개짜리 단순한 두 덩어리 무늬만 남습니다. 경로 정보와 간섭무늬는 결코 함께 얻을 수 없습니다. 이것이 이중성의 진짜 내용입니다 — 두 얼굴이 있다는 것이 아니라, 두 얼굴을 동시에 볼 수 없다는 것입니다.

보어 원자 모형의 불연속 궤도도 이 그림에서 이유를 얻습니다. 궤도 둘레에 전자의 물질파가 정수 개의 파장으로 딱 맞아떨어질 때만 안정하게 남기 때문에, 아무 궤도나 허용되지 않는 것입니다. 보어가 '가정'했던 것을 파동성이 '설명'해 준 셈입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

전자를 한 개씩 쏘는 이중 슬릿

전자총의 세기를 극도로 낮춰 장치 안에 전자가 언제나 한 개뿐이도록 합니다. 그래도 오래 쌓으면 간섭무늬가 나옵니다. 전자끼리 부딪혀 생긴 무늬가 아니라는 뜻입니다. 무늬는 전자 하나가 두 슬릿과 맺는 관계에서 나옵니다.
예시 2

빛도 똑같다 — 광자를 한 개씩 쏘기

빛을 극도로 어둡게 해 광자를 하나씩 보내도 같은 일이 벌어집니다. 처음에는 점이 하나씩 찍히고, 쌓이면 간섭무늬가 됩니다. 빛과 전자가 서로 다른 종류의 존재가 아니라 같은 규칙을 따르는 존재라는 강력한 증거입니다.
예시 3

왜 우리는 이중성을 못 느끼는가

파동성이 눈에 띄려면 물질파 파장이 슬릿 간격 같은 장치 크기와 비슷해야 합니다. 전자의 파장은 원자 크기 정도라 결정이나 미세 슬릿으로 무늬를 만들 수 있지만, 야구공의 물질파 파장은 $1 0^{- 34} m$ 수준입니다. 그만한 슬릿을 만들 방법이 없으므로 야구공의 파동성은 영원히 드러나지 않습니다.

어떤 실험에서 어떤 얼굴이 나타나는가

구분	파동성이 드러나는 실험	입자성이 드러나는 실험
빛	이중 슬릿 간섭, 회절, 얇은 막의 간섭	광전 효과, 콤프턴 산란
전자	결정에 의한 전자 회절, 전자 이중 슬릿 간섭	검출기의 한 점에서 통째로 발견됨, 전자와의 충돌
설명하는 양	파장 $λ$ , 진동수 $f$	에너지 $E = h f$ , 운동량 $p = h / λ$

자주 하는 오해

전자가 반은 파동, 반은 입자이거나 상황에 따라 변신한다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움평소에는 입자인데 슬릿을 만나면 파동으로 변했다가 화면에 닿으면 다시 입자가 된다

실제로는전자는 파동도 입자도 아닌 하나의 대상이고, 어떤 방식으로 재느냐에 따라 그에 맞는 면이 드러날 뿐입니다.

'입자'와 '파동'은 우리가 눈에 보이는 세계에서 만들어 낸 두 개의 그림입니다. 미시 세계의 대상이 그 두 그림 어디에도 딱 맞지 않는 것이지, 대상이 도중에 성질을 갈아입는 것이 아닙니다. '변신'이라는 말을 쓰는 순간, 언제 어디서 변신하는지 답할 수 없는 가짜 질문에 갇히게 됩니다.

전자 하나가 반으로 쪼개져 두 슬릿을 나눠 지난다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움간섭이 생기려면 두 파동이 만나야 하니, 전자가 반씩 갈라져 양쪽 슬릿을 통과했을 것이다

실제로는전자는 검출될 때 언제나 통째로 한 점에서 발견됩니다. 반쪽짜리 전자는 관측된 적이 없습니다.

겹쳐서 간섭하는 것은 전자의 조각이 아니라, '전자를 어디서 발견할까'에 대한 확률의 파동입니다. 두 경로의 확률 파동이 겹쳐 어떤 자리는 발견 확률이 커지고 어떤 자리는

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이 됩니다. 그래서 전자 하나를 쏘면 어딘가 한 점에 찍히고, 수만 번 반복해야 비로소 그 확률 분포가 무늬로 드러납니다. 무늬는 전자 한 개의 '모양'이 아니라 여러 번 반복한 결과의 '통계'입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

물질파(드브로이파)고2 보어 원자 모형고2 콤프턴 산란고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

양자역학 기초고3

같은 단원의 개념 — 빛과 물질

자주 묻는 질문

Q1어느 슬릿을 지났는지 보기만 해도 왜 무늬가 사라지나요?

'사람이 본다'는 것이 특별해서가 아닙니다. 경로를 알아내려면 전자가 무언가와 반드시 상호작용해야 하고, 그 상호작용이 두 경로의 확률 파동이 깨끗하게 겹칠 수 없게 만듭니다. 경로 정보가 세상에 남는 순간 간섭은 불가능해집니다 — 사람이 그 정보를 읽든 읽지 않든 마찬가지입니다.

Q2그럼 관측하기 전에 전자는 어디에 있었나요?

양자역학은 이 질문에 답하지 않습니다. 측정하기 전의 경로를 말하지 않고, 측정했을 때 어디서 발견될 확률이 얼마인지만 말합니다. 답답하게 들리지만, 고전물리와 가장 크게 갈라지는 지점이 바로 여기이고 지금까지 모든 실험은 이 쪽 손을 들어 주었습니다.

Q3이중성은 빛과 전자에만 해당하나요?

아닙니다. 원리적으로 모든 물질에 해당합니다. 실제로 원자나 큰 분자로도 간섭무늬를 만든 실험들이 있습니다. 다만 물체가 무거워질수록 물질파 파장이 급격히 짧아져 파동성을 드러내기가 극도로 어려워질 뿐입니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 물리학 · 빛과 물질 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

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

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