정준기 양자물리 발표 판서

(이중슬릿 실험)
이중슬릿에 빛을 통과시키면 밝기가 다른 줄무늬가 생김 ⇒ 빛은 파동이다.
→ 광자 1개도 같은 결과.
∴ 빛은 입자이면서 파동이다.

물체는 뜨거워지면 빛(전자기파)을 내뿜음. 플랑크는 에너지가 연속적으로 나오는 것이 아니라 덩어리로 나온다고 생각함.
→ 에너지 덩어리 하나의 크기 ⇒ \(E = hf\) (\(h\)=플랑크 상수, \(f\)=진동수)
∴ 에너지는 연속적인 것이 아니라 \(hf\) 크기의 알갱이(양자)로 주고받을 수 있다.

광전효과: 금속판에 빛을 비추면 전자가 튀어나오는 현상.
빛의 세기가 커도 특정 진동수에서는 전자 X / 빛의 세기가 작아도 진동수가 높으면 전자 O.
아인슈타인은 빛을 \(hf\)만큼의 에너지를 가진 광자 다발로 봄.
→ 광자와 전자가 1대1 충돌할 때 \(hf\)가 전자를 붙잡는 힘(일함수 \(\varphi\))보다 작으면 전자 X.
⇒ \(hf = \varphi + KE_{max}\) (\(KE_{max}\): 최대운동에너지)
∴ 빛은 \(hf\)의 에너지를 가진 입자, 광전효과는 광자와 전자의 1대1 충돌이다.

전자는 원자핵 주변 아무 궤도나 도는 게 아니라 정해진 궤도(에너지 준위)만 돌 수 있다고 본 가정.
수소원자에서 \(n\)번째 궤도의 에너지는 \(E_n = \dfrac{13.6}{n^2}\ \text{eV}\) (\(n=1,2,3,\dots\))
전자가 높은 궤도에서 낮은 궤도로 점프할 때 그 차이만큼 에너지를 빛(광자)으로 내보냄.
∴ 원자 속 전자의 에너지는 정해진 값(양자화)만 가질 수 있고, 그 사이를 점프하며 빛을 방출·흡수한다.

빛이 알갱이면서 물결이라면, 전자도 물결일 수 있지 않을까?
→ \(\lambda = \dfrac{h}{p}\) (\(\lambda\): 파장, \(p\): 운동량)
실제로 전자를 고체에 쏘면 회절·간섭이 생김.
→ 야구공 같은 물질파는 \(10^{-34}\,\text{m}\) 수준으로 관찰 X.
∴ 모든 물질은 파동의 성질을 가지지만, 물체가 무거울수록 파장이 너무 작아 눈에 띄지 않을 뿐이다.

1. 양자 중첩: 관측 전까지는 입자는 여러 상태를 동시에 가짐. (슈뢰딩거의 고양이: 상자에 고양이와 50% 확률로 고양이를 죽이는 장치가 있으면, 상자를 열기 전까지 고양이는 살아있는 상태와 죽은 상태가 겹쳐진 상태임.)
2. 양자얽힘: 두 입자가 특별한 방식으로 만들어지면, 한쪽을 측정할 때 다른 한쪽의 상태가 즉시 결정됨.
3. 양자 터널링: 외부세계의 입자는 에너지가 부족해도 확률적으로 벽을 통과함.
∴ 미시세계에서는 여러 상태가 동시에 존재하고(중첩), 멀리서도 연결되어(얽힘), 뚫고 지나가지 못할 것 같은 장벽도 뚫고 지나간다(터널링).

전자를 보려고 빛(광자)을 쏘면, 두 입자가 부딪히는 순간 전자는 충격으로 속도가 바뀜.
→ 전자의 위치를 더 정확히 재려 할수록 전자의 운동(속도)은 더 심하게 흐트러짐.
⇒ 위치의 불확실성(\(\Delta x\)) × 운동량의 불확실성(\(\Delta p\))는 항상 어떤 최솟값보다 크다.
\(\Delta x \cdot \Delta p \ge \dfrac{h}{4\pi}\)
이것은 기술의 부족이 아닌 자연의 한계다.
∴ 미시세계에서는 위치와 운동량을 동시에 완벽하게 정확히 알 수 없다 (자연의 근본 성질).

'전자가 물결일 때 그 물결은 무엇일까?'를 나타내는 슈뢰딩거 방정식을 풀면 파동함수(\(\psi\), 프사이)가 나옴.
\(|\psi|^2\)가 위치에 전자가 존재할 확률을 뜻함.
→ 원자 속 전자는 궤도를 도는 작은 공이 아니라, 핵 주위에 안개처럼 퍼진 확률구름이다.
우리는 전자의 정확한 위치가 어디서 발견될지 확률로만 알 수 있음.
∴ 전자의 위치는 정해진 값이 아니라 확률로만 예측할 수 있고, \(|\psi|^2\)가 그 확률을 나타낸다.