<김상욱의 양자공부>

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원자를 이해하려면 전자의 운동을 이해해야 한다네요.

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전자의 입장에서 확률적으로 보기..

전자가 원자핵에 들러붙을 수 없는 이유는?

전자가 2개의 슬릿 구멍을 지나가는 이유는?

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전자의 이중 슬릿 실험

“전자가 입자라면 이중 슬릿을 통과할 때 2개의 줄무늬가 생겨야 한다. 하지만 실제로는 파동이어야만 가능한 여러 개의 간섭 무늬를 관찰할 수 있다. 전자가 입자인 동시에 파동이기 때문이다.

이 결과를 이해하는 것이 양자역학의 알파요 오메가다.

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정리

첫째, 파동의 패턴은 여러 개의 전자가 만드는 결과를 종합하여 얻어진다. 둘째, 개개의 전자는 특별히 그런 결과를 의식하거나, 다른 전자와 정보를 교환하거나 하지 않는다. 이제 도약이 필요하다. 그렇다면 전자 하나의 입장에서 패턴은 확률적 결과라고 생각할 수 있지 않을까? 주사위 던지기 확률처럼. 전자가 보여주는 여러 개의 줄무늬는 확률적 파동이 만들어 낸 결과라는 뜻이다.

전자는 입자다. 하지만 전자가 2개의 구멍을 지나는 동안 파동처럼 행동한다. 이때의 파동은 확률파동이다. 따라서 전자의 운동을 기술하는 방정식이 있다면 그것은 파동방정식이어야 한다.

양자역학에 나오는 파동 방정식을 ‘슈뢰딩거 방정식’이라 하며, 이 파동은 전자가 발견될 확률을 나타낸다. 수식.

질문-대체 무엇 때문에 확률이라는 개념이 나와야 하나?

전자가 정말로 2개의 구멍을 동시에 지나가나?

전자가 확률의 파동이라는 것이 원자에서 어떤 의미를 가지는지만 이야기하자.

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원자는 왜 붕괴하지 않나?

그림 2.2 전자가 원자핵 주위를 원 운동하고 있다면 전자기파를 방출하고, 즉 에너지를 잃고 원자핵으로 떨어져야 한다. 그러나 전자의 파동성이 정상파라는 특별한 상태를 이뤄 전자 궤도를 안정시킨다.

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전자와 같이 전하를 가진 입자가 가속 운동하면 전자기파를 방출해야 한다. 전자기파는 에너지를 가지고 있기 때문에 전자기파를 방출한 전자는 에너지를 잃고 원자핵으로 끌려 들어가야 한다.

그러나 이런 일이 실제로 일어나지 않는 이유를 전자의 파동성으로 설명할 수 있다. 원 궤도상에서 운동한다는 것은 입자가 갇혀 있다는 뜻이다.

정상파는 특별한 길이의 파장만을 가질 수 있다.(보어의 양자조건) 결국 전자가 원자핵에 들러붙지 않고 그 구조를 유지하는 것은 전자가 정상파를 이루었기 때문이다. 즉 원자의 크기보다 긴 파장의 파동을 만들 수는 없다. 전자가 가질 수 있는 최소의 반지름이 존재하는 이유다. 이 때문에 전자는 원자핵과 들러붙을 수 없다. 결국 전자의 파동성이 원자의 안정성을 보장한다. 다시 말해서 전자가 이중 슬릿을 지나며 여러 개의 줄무늬를 만들어 내지 못한다면, 원자가 존재할 수 없다. 아니 이 세상이 지금의 모습으로 존재할 수 없다.

전자는 2개의 슬릿을 동시에 지나간다. 이것은 전자가 파동의 성질을 갖기 때문이다."-오늘은 여기까지...

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