#0001. 물질의 특성(Q-Chem)

양자역학의 발전 역사에서 물질의 특성과 관련하여 기억해야 할 개념들이 있다. 크게 세 가지로 분류될 수 있는데, 이는 다음과 같다:

• 에너지 양자화의 증거
• 파동-입자 이중성의 증거
• 원자 모형

어떤 사람들은 De Broglie(드브로이)가 식 고쳐쓴 것 말고는 한 게 없다며 까지만, 그의 matter wave 개념은 양자역학 발전에 있어 구심점이 되었다. 이 글에서는 지엽적인 부분은 생략하고, 큰 흐름만 짚어보려고 한다.

우선 De Broglie의 물질파는 1924년 등장한 것으로, 유명한 식 $$\lambda = \frac{h}{p}$$로 나타난다. 거칠게 말해 물질파의 파장(파동성)은 운동량에 반비례한다는 것으로, p는 운동량, $$h=6.626\cdots \times 10^{-34} \ \rm J \cdot s$$ 정도의 값을 갖는 상수이다. 상수의 크기가 매우 작다는 것은 운동량이 어지간히 작지 않은 이상 파동성을 보이기 어렵다는 것이다. 저 상수는 자주 등장하므로 많이들 근삿값을 외우고 있다. (사실 양자역학 단원 연습문제를 풀다 보면 안 외우기도 어렵다...)

사실 물질이 파동성을 갖는다는 것은 쉽게 상상하기 어렵다. 우리는 직관적으로 파동과 물질을 구분한다. 초등 교육 과정에서는 파동을 설명할 때, 에너지가 시간에 따라 퍼져나가는 이미지로 설명한다. 이를 매개하는 것이 매질이다. 예를 들어 물결파에서는 물이 매질인 것이고(사실 물결파는 중학교 교과서에서처럼 단순한 파동이 아니다), 평소에 소리의 전달은 공기가 매질이 되는 것이다. 매질은 파동의 전파에 필수적이다. 파도풀의 물결파는 옆의 수영장으로 전달되지 않는다. 따라서 매질이 없다면 파동은 전파되지 않는다. 그러면 의문이 생긴다. 빛은 태양에서 지구까지 진공(거의)을 날아오지 않는가? 빛은 파동인데(빛의 파동-입자성 논쟁은 과학사에 걸쳐 계속됬는데, 여기서는 영의 이중슬릿 실험, 프레넬 점 이후 과학계가 빛이 파동이라고 확신한 시점을 다룬다) 매질이 없다면 분명 이상하다. 이런 상황에서 과학자들이 애용하는 방법은 적당한 미지의 물질이 있다고 설정하는 것이다. 그 미지의 매질이 에테르이다. 에테르는 진공 중에도 균일하게 퍼져 있을 것이라고 예상되었다.