양자역학

두산백과

양자역학

[ quantum mechanics , 量子力學 ]

양자론의 기초를 이루는 물리학이론의 체계이다. 원자, 분자, 소립자 등의 미시적 대상에 적용되는 역학으로 거시적 현상에 보편적으로 적용되는 고전역학과 상반되는 부분이 많다. 양자역학의 등장으로 물성물리학을 비롯한 다양한 물리학 분야에서 큰 발전이 이루어졌다.

17세기부터 물리학자는 거시적 현상을 기술하기 위하여 고전역학(classical mechanics)을 발전시켜 왔다. 그러나 이런 거시적 해석이 물체의 속도가 빛의 속도에 가까울 때의 현상을 설명할 수 없었다. 이에 1905년 아인슈타인은 그 대안으로 상대성역학(relative mechanics)이라는 새로운 역학체계를 제시하였다.

또한 원자와 같은 아주 작은 물체인 미시세계에서의 실험 결과도 고전역학으로 설명할 수 없었다. 이에 1900년에서 1927년에 걸쳐 플랑크, 보어, 아인슈타인, 하이젠베르크, 드브로이, 슈뢰딩거 등의 많은 물리학자들이 그 대안으로 양자역학(quantum mechanics)이라는 새로운 역학체계를 제시하였다.

고전역학과 양자역학의 차이
고전역학은 현재의 상태를 정확하게 알고 있다면 미래의 어느 순간에 어떤 사건이 일어날지를 정확하게 예측할 수 있다는 결정론적(deterministic) 입장을 취한다. 고전역학은 인과법칙을 따르고 우연성을 배제한다. 이러한 물리학을 일반적으로 뉴턴 물리학이라고 하며, 뉴턴 물리학과 상대성이론을 합쳐서 고전역학이라고 한다.

그러나 양자역학은 고전역학과 달리 확률론적(probabilistic) 입장을 취한다. 확률론적 입장은 비록 현재 상태에 대하여 정확하게 알 수 있더라도 미래에 일어나는 사실을 정확하게 예측하는 것은 불가능하다는 입장이다.

예를 들어, 수소원자에서 전자의 위치를 나타낼 때, 전자의 위치는 핵의 중심에서 무한대에 이르는 거리 사이에 존재할 수 있다. 따라서 전자의 위치는 어떤 특정한 시간의 특정 위치와 같지 않을 수 있다. 따라서 물리학자들은 전자의 가능한 위치를 계산할 때 슈뢰딩거의 파동방정식에 의한 파동함수(ψ , 프사이)를 한 번 더 곱한 확률밀도함수(│Ψ│²)를 사용한다. 확률밀도함수는 주어진 시간에 단위 부피에서 파동함수가 나타날 수 있는 확률을 알려준다.

다시 말해, 어떤 반지름에서 전자를 발견할 확률이 0.3이라면 그 곳에서 전자를 찾을 확률이 30%임을 의미한다. 슈뢰딩거 방정식은 원자에 있는 전자가 어느 순간에 어디에서 발견될 것인지를 알려주는 것이 아니라 그곳에서 전자가 발견될 가능성을 알려준다.

양자역학의 시작과 발전
1900년 물리학계의 관심은 원자와 열복사에 집중되어 있었다. 특히 열복사에 관련된 탐구가 양자역학의 발전으로 이어졌다.

여러 과학자들은 열복사의 색깔(파장)을 온도의 함수로 설명할 수 있는 정량적인 공식을 탐구하였다. 1900년 12월 14일 플랑크(Max Planck)는 열복사의 실험결과에 맞는 공식을 발표하였는데 그는 원자의 진동이 갖는 에너지 값은 무제한적이 아니라 어떤 ‘허용된 에너지 값’ 만을 갖는다는 양자가설을 통해 공식을 설명하였다.
오늘날 플랑크가 양자가설을 제시한 이 날을 양자역학의 탄생일로 기념하고 있다.

이후 플랑크의 가정은 여러 현상에 이용되었다. 이 시대에 나타난 이론을 고전 양자론이라고 부른다. 고전 양자론은 기본적으로 고전역학이 적용됨을 전제로 하고, 에너지와 같은 어떤 물리량이 허용된 어떤 값만을 갖는다는 가정을 한다. 그리고 이러한 물리량이 ‘양자화되었다’고 한다.

1905년 아인슈타인은 빛다발의 에너지의 양자화를 가정하였고, 1911년 좀머펠트(Arnold Sommerfeld)는 에너지의 양자화를 통해 위치와 속력의 관계를 연구하였다. 같은 해 러더퍼드(Ernest Rutherford)는 원자핵 발견 실험에 성공하여 원자의 모형을 알아냈으며, 1913년 보어(Niels Bohr)는 수소 원자의 양자화 개념을 제시하였다.

1914년 제 1차 세계대전으로 양자론에 대한 연구활동이 잠시 멈추었으나 1915년 윌슨(William Wilson)은 위치/속력에 대한 에너지 양자화 규칙을 찾는 연구를 진행하였고, 1918년 휴전기에 다시 연구가 활발해졌다. 1922년 슈테른(Otto Stern)과 게를라흐(Walther Gerlach)는 스핀에 관련된 실험을 성공하였다.

양자역학에서의 허용된 값에 대한 연구는 여러 분야로 진행되었다. 1925년 이후 양자역학의 행렬모형인 행렬역학(matrix mechanics)는 하이젠베르크(Werner Heisenberg), 보른(Max Born), 요르단(Pascual Jordan)에 의해 정립되었으며, 1923년 드브로이는 ‘본질적으로 주기적 현상인 파동’과 입자를 연계시키는 방안을 제시하였고, 이 생각은 슈뢰딩거에 의해 양자역학의 파동함수 모형인 파동역학(wave mechanics)으로 정립되었다.

하이젠베르크의 행렬역학과 슈뢰딩거의 파동역학은 서로 대립되는 면이 있었으나 1926년 슈뢰딩거와 에커르트(Carl Eckert)는 독립적인 연구를 통해 두 이론이 매우 다르지만 서로 동등한 것임이 증명되었다.

양자역학에 대한 두 공식인 행렬역학과 파동역학이 정립되자 양자이론은 급속도로 발전하여 원자, 분자, 고체에 적용되었고 헬리움, 별의 구조, 초전도체의 본질, 자석의 성질에 대한 문제를 해결하였다.

1926년 디락(P.A.M. Dirac)은 양자이론을 상대성 이론과 장이론 영역으로 확장하였으며, 1931년 폴링(Linus Pauling)은 실험적으로만 알려졌던 화학결합을 양자역학으로 설명하였다.

1941년에는 행렬역학과 파동역학이 아닌 양자역학을 설명하는 다른 모형이 등장하는데 이 모형을 양자전기역학(QED:quantum electrodynamics)라고 부르며 파인만(Richard Feynman)이 체계화하였다.

참조항목

결정론, 고전역학, 광물성학, 뉴턴역학, 물성물리학, 물질파, 불확정성원리, 상대성이론, 소립자론, 에르빈 슈뢰딩거, 슈뢰딩거의 파동방정식, 양자가설, 양자론, 양자전기역학, 파동역학, 힐베르트공간, 파장, 페르미-디랙통계, 베르너 하이젠베르크, 행렬역학

역참조항목

경계조건, 곤트인자, 공간, 공명전달, 광학, 광학정리, 교환관계, 기체분자운동론

출처 : 두산백과