빛의 속도와 파장 - bich-ui sogdowa pajang

 빛의 에너지는 전자기파의 일종인 빛이 가지고 있는 에너지를 가리킵니다. 단위는 줄(J)로 표시하며, 빛의 에너지는 빛에 포함되어 있는 광자의 수와 광자의 진동수에 의해 결정됩니다. 빛은 과거에 입자이냐 파동이냐에 대한 논란이 많았는데요 오늘날 빛은 이중성으로 접어들어 플랑크 상수와 빛의 속력을 설명하려고 합니다. 플랑크 상수는 빛의 양자화 상태인 광자의 에너지 크기를 결정하는 기본 상수이며, 빛의 속도는 과거에는 무한하다고 생각했으나 현재는 유한하다는 것을 증명할 수치 입니다.

 빛의 속도는 자연을 이해하는데 있어 매우 중요하고 흥미로운 상수의 하나입니다. 빛은, 실험실의 레이저든지 아니면 멀리 떨어진 별들로부터 발생되는 것이든 관계없이 어디서나 일정한 속도로 움직입니다. 뿐만 아니라 관측자나 광원의 상대운동에도 무관하게 일정하여, 이는 아인슈타인에 의해 상대성이론을 만들어 내는 중요한 근거가 되었습니다. 옛날의 천문학자들은 속도가 무한한 것으로 생각하여 멀리 떨어진 별들에서 일어나는 사건은 즉각 관측된다고 믿었습니다. 그러나 한편으로는 빛의 속도가 유한할지 모른다고 생각한 몇몇의 사람들로 인해서 빛의 속도를 측정할 수 있게 되었습니다. 

 푸코 장치(1850)는 빛의 속도를 측정하기 위해 프랑스 물리학자 이폴리트 피조와 레옹 푸코가 구상한 것입니다. 이 장치는 빛이 회전하는 거울에 반사되어 20마일(35 킬로미터)뒤에 있는 정지된 거울을 향하게 만들어 놓았습니다. 정지거울에 반사되어오는 시간이 지남에 따라서 회전거울이 약간씩 움직이면 빛이 원래의 방향에서 미세한 각도 차로 빗나가게 됩니다. 만약 거울 사이의 거리를 h라 하면, 정지거울에 반사되어 돌아오는데 걸리는 시간은 2h/c 입니다. 회전거울이 조절가능한 회전속도 dθ/dt 로 움직인다면 그 각도는

이 식으로 빛의 속도 c는 측정 값 θ 회전거울의 회전속도, 측정 값 h로 계산 가능해집니다.

 탐지기는 빛의 근원으로부터 2θ만큼인 각도에 위치하는데 그 이유는 법선을 기준으로 회전거울이 θ 만큼 회전하고, 빛의 입사각과 그 반사각으로 인해 θ 만큼 줄어들기 때문입니다.

 프랑스의 물리학자인 아폴리트 피조는 1849년에 처음으로 빛의 속도를 매우 정확하게 측정하는데 성공했습니다. 피조는 약 8.87Km 떨어진 곳에 각각 반사거울을 설치하고, 720개의 톱니를 가진 톱니바퀴 틈새로 빛을 보내어, 그 빛이 반대쪽 거울에 반사되어 톱니 사이로 다시 들어올 수 있도록 장치했습니다. 톱니바퀴를 천천히 돌리자, 톱니 사이로 나간 빛은 반대쪽 거울에 반사되어 그 톱니 틈새로 그대로 들어왔습니다. 그런데 톱니바퀴를 초속 25회전으로 빨리 돌리자, 톱니바퀴 사이로 나간 빛은 다음 톱시 사이로 들어왔고, 피조는 이러한 결과를 수학적으로 계산하여 아래와 같이 빛의 속도가 초속 약 313.000km라고 추정 했습니다.

8.87km x 2(왕복)  x 25회전  x 720 ≒  313,000km

또한 1862년에는 푸코 진자를 발명한 프랑스의 물리학자 레옹 푸코도 피조와 비슷한 방법으로 톱니바퀴를 사용하여 빛의 속도가 초속 약 298,000km라고 추정했습니다. 오늘날에는 달 표면까지 레이저를 쏘아 반사되어 오는 시간을 측정하는 방법으로 빛의 속도를 보다 정밀하게 측정하여, 초속 298,792,485m라고 정의하고 있습니다.

오늘날 빛의 속력은

c=299,792,458 m/s 입니다.

 플랑크 상수는 빛의 양자화 생태인 광자의 에너지 크기를 결정하는 입자의 에너지와 드브로이 진동수의 비(h = E/f)이며, 양자역학의 기본 상수 중 하나입니다. 이 상수를 도입한 물리학자 막스 플랑크의 이름을 땄으며, 기호는 라틴 문자"h"입니다. 

h=6.62607015 x 10^-34 J· s

 플랑크 상수의 역사로는 한 용기 안에 흑체와 한 줄기 빛을 집어넣고 용기를 다시 밀폐화한다고 하면, 이경우 흑체는 밫을 흡수하여 파장의 형태로 다시 방출을 하게 되는데 고전물리의 등분배법칙에 의하면 흑체가 방출하는 에너지는 모든파장에 골고루 나뉘어야 합니다. 이 말은 아주 작은 빛을 넣게 되더라도 상자를 열게 되면 엑스선이나 감마선이 나오게 되는 현실에서는 불가능한 모순이 생기게 됩니다.

 이러한 문제를 해결하기 위해 몇몇의 물리학자들이 매달리게 되었으며, 막스 플랑크는 이러한 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 혁명적인 착상을 하였다. 그것은 '에너지는 주파수에 비례한다.'라는 가정이었습니다. 즉 에너지가 양자화되어 있다는 것입니다. 이 가정에서 에너지와 주파수를 연결해주는 비례상수가 바로 'h'인 것입니다. 물론 플랑크는 가정을 통해서 흑체 복사에 관한 문제를 정리하였고 그 식은 실험과 잘 일치하는 결과를 가지고 왔습니다. 하지만 플랑크는 저 식에 대해서 큰 의미를 두기보다는 실험결과와 일치시키기 위해 어쩔수 없이 도입시킨 것이라는 입장을 취하였습니다.

 빛 에너지는 전자기파의 일종인 빛이 가지고 있는 에너지를 가리킵니다. 단위는 줄(J)이며, 빛 에너지는 빛의 포함되어 있는 광자의 수와 광자의 진동수(파장)에 의해 결정됩니다. 광자의 에너지는 진동수에 의해 결정되며, 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

h = 플랑크 상수, E = 에너지, v= 진동수, c = 빛의 속도, λ = 파장

빛의 에너지(E)와 진송수(v)는 비례하고, 빛의 에너지(E)와 파장(λ)은 반비례하므로, 빛의 진동수가 작을수록 빛의 파장이 길수록 빛의 에너지는 작아집니다.