광자, 포톤(photon)

2.1. 광자[편집]

光子, photon

빛(전자기)은 입자성과 파동성을 가진다. 이 중 빛의 입자성을 가리키는 빛의 또 다른 이름이 바로 광자다. 빛의 파동성을 가리키는 이름은 전자기파다.

쉽게 설명하자면, 빛이란 건 전자기력이 작용하는 역장(=전자기장)을 쉽게 부르는 이름이다. 근데 이 전자기장은 과학자들이 관측하기에 따라 입자처럼 보일 때도 있고 파동처럼 보일 때도 있다. 광자란 이 빛의 입자스러움을 가리키는 명칭.

2.1.1. 설명[편집]

일단 빛이기 때문에 당연히 광속으로 운동한다. 광자의 에너지는 $E = h \nu$[1]이다. 또한, 광자는 운동량 $p = h \nu /c$를 갖는다.

전자기 상호작용을 매개하는 게이지 보손. 질량과 전하가 없고, 스핀이 1이다. 광자에 질량이 없다는 말에 "에너지는 곧 질량이므로 에너지를 가진 광자도 질량을 갖게 된다."고 답하는 경우가 많은데, 광자에 질량이 없다고 말할 때의 질량은 정지 질량이므로, 보통 상황에서는 굳이 그렇게 세세하게 따질 필요가 없다.

광자와 같이 질량이 없는 입자를 룩손이라고 하며, 룩손은 무조건 광속으로 움직인다. 룩손 이외의 입자는 광속보다 느리거나 한없이 가까워질 수는 있을지언정, 결코 광속으로 움직이지는 못한다. 질량이 없으므로 중력의 직접적인 영향을 받지 않기에, 광자의 이동방향의 휘어짐, 즉 빛의 휘어짐은 중력에 의한 시공간 왜곡의 강력한 증거가 된다.

아이작 뉴턴은 빛이 입자로 이루어져있다고 주장하였으나, 그러한 설명으로는 빛의 파동적인 성질(대표적으로 간섭현상)을 설명하지 못하므로, 초기에는 뉴턴의 권위에 의해 빛의 입자설과 파동설이 대립하다가 19세기 초 토마스 영의 이중슬릿실험에 의해 빛이 파동임을 보여 주고, 제임스 맥스웰이 빛이 전자기파임을 밝혀내고 전자기파의 속도가 빛의 속도와 근사함을 증명하여 파동설이 정설로 인정되기까지 했다.

그 후 1859년 말에서 1860년초 키르히호프(G. Kirchhoff, 1824-1887)에 의해 '흑체복사'에 대한 이론이 등장하였다. 한 물체가 뜨거워지면 열을 내게 되는데, 이를 복사(radiation)라고 부르며, 키르히호프는 '복사는 물질이나 빈구멍(Cavity)의 모양, 크기와는 상관이 없고 오직 온도와 빛의 파장에만 관계된다는 것이다'는 것을 밝혀냈다. 즉, 같은 온도로 달구어진 물체는 어떤 물질이든 방출하는 빛의 분포가 똑같다는 것이다. 특히 표면에 부딪히는 모든 복사를 흡수하는 경우 이런 물체를 흑체(black body)라고 부르는데, 이런 특징은 파동성과 아울러 입자성을 지니고 있을 가능성을 보여준다. 19세기말 물리학자들은 고체에서 방출되는 복사를 조사하여 여러 가지 파장 또는 진동수를 가진 빛으로 구성되어 있음을 알게 되었고, 표면의 온도와 빛의 파장이 어떠한 관계에 있는가를 연구하면서 아인슈타인에 의해 양자화에 대한 논의가 시작되었다.

20세기 초에 고전적인 흑체는 무한히 빛을 방출해야 한다는 문제가 발견되었고, 이를 해결하기 위해 막스 플랑크는 파동의 에너지가 양자(量子)화된 것이 빛이라는 가설을 도입하였다.[2]

알베르트 아인슈타인은 1905년에 빛이 입자로 구성되었을 경우 광전효과를 설명할 수 있다는 사실을 보였고, 이후 양자역학의 발전과 양자전기역학의 도입으로 빛의 양자화를 이론적으로 설명할 수 있게 되었다.

출처

https://namu.wiki/w/%EA%B2%8C%EC%9D%B4%EC%A7%80%20%EB%B3%B4%EC%86%90?from=%EA%B4%91%EC%9E%90#s-2.1