우주물리학 - 원자

진동- 같은 운동을 반복하는 것

정지해있는 물체 - 겉보기에는 움직이지 않는 것처럼 보이지만 외부에서 작용하는 영향이 없을수 없으므로 실제로는 움직이고있음

ex)시계추의 운동, 용수철에 매달린 물체, 그네, 철판의 진동 악기의 진동등

 

진동개념이 중요한이유?

역학, 전자기학, 파동과 빛, 양자역학, 고체물리, 소립자, 초끈이론등 모든 물리분야에서 기본개념을 이해하거나 수많은 현상을 설명하기 위해 사용됨.

 

 기본물리량

주기 - 진동을 한 번 하는데 걸리는 시간

진동수 또는 주파수 - 1초동안 진동하는 횟수

공명 - 진자에서 고유 진동 주기에 맞추어 외부에서 힘을 가하면 진폭을 크게 할 수 있는데, 이를 공명 혹은 공진이라함.

ex)그네타기, tv체널 맞추기등 실제로 1850년 프랑스에서 478명의 군인들이 쿵쿵 발을 맞추며 앙제 다리를 걸어가다가 다리가 무너진 사건이있음

 

원자와 진동

진자들이 많이 연결되어 만들어지는 출렁거림 -> 파동 예)소리

파동- 매질을 통해 운동이나 에너지가 전달되는 현상 ex)물결,파도,소리등

빛(전자기파) - 자유공간에서 일정한 속도

중력파 - 빛의 속도와 일치

 

파동과 관련된 물리용어

진폭: 파동의 세기

마루:파동에서 가장 높은곳

골: 파동에서 가장 낮은곳

파장: 마루와 다음 마루사이의 거리

주기: 어떤 한 곳에서 마루가 반복되는 최소시간

진동수 혹은 주파수 : 어떤 한 곳에서 1초동안 지나가는 마루의 갯수

 

파동의 종류

횡파(가로파동): 파동의 진행방향과 진동방향이 서로 수직인 파동

예)물결, 파도, 빛, 전자기파, 중력파, 지진파의 s파등

 

종파(세로파동): 파동의 진행방향과 진동방향이 같은 파동

예) 소리, 지진파의 p파등

진행파:

파가 매질을 통해 에너지를 싣고 한 지점에서 다른 지점으로 계속 나아가는 현상

 

정상파:

진폭과 진동수가 같은 두파가 서로 반대방향으로 진행하다 만나서 중첩될때 어느 방향으로도 나아가지 않고 제자리에서 진동

한끝을 고정시킨 진행파는 진행파와 반대파가 만나 서로의 간섭으로 인해 정상파를 이룸

예) 현악기 줄의 진동

 

20세기 이후 물리학 연구분야

우주 탐구:

천체망원경의 도움으로 지구 밖의 세계를 연구하고 우주의 가장자리를 관측

 

작은우주 연구:

원자와 원자를 이루는 작은 입자들의 세상에 대한 연구

 

작은 세계 탐구를 위한 여정

최초의 현미경 발명 - 네덜란드의 레벤후크

200배의 배율을 가진 근대적인 현미경 제작

처음으로 미생물 발견

 

최초의 전자 현미경(1931년)

바이러스 관찰 가능

 

오늘날의 전자현미경

분자구조관찰가능 원자의 표면도 관찰가능

 

원자보다 작은 세계를 보는 현미경은 없음

->원자보다 작은 세계는 입자가속기를 이용 -> 충돌결과 분석

 

원자의 내부

 

원자는 원자핵과 전자로 구성

원자핵은 양전하, 전자는 음전하

 

원자핵은 양성자와 중성자로 구성

양성자는 양전하, 중성자는 전기적으로 중성

양성자와 중성자는 쿼크라고 불리는 보다 작은 입자로 구성됨

쿼크들과 전자의 크기는 엄청작음 10의-18승보다 작음

 

원소 존재의 신호

라부아지에 - 두개 이상의 원소가 결합하는 법칙을 발견-질량보존의 법칙: 화학반응 전후 반응에 참여한 물질의 총량은 변화하지 않는다

게이뤼삭 - 기체반응의 법칙: 수소와 산소가 결합하여 물이 발생할때 두원소의 결합비가 항상 일정

 

돌턴의 원자모형

서로 다른 원소는 각각 고유의 형태를 지닌 원자를 가지고 있으며 동일한 원소의 원자들은 그 성질이 같다.

원자는 마치 당구공처럼 단단해서 깨질수없음

원소들이 서로 결합함으로써 분자를 구성(아보가드로에의해 분자라는 개념이 도입)

서로 다른 원소들의 관계를 이용하여 원소의 질량을 측정 -> 원자량에 대한 표를 작성

멘델레예프가 원소주기율표를 고안

 

뉴턴의 프리즘 연구

태양빛을 프리즘을 이용해 분해 -> 무지개(가시광선)

유리같은 매질을 통과할때 빛의 파장에 따라 굴절률이 달라서 생기는 현상

모든 가시광선을 조합-> 백색광

 

분광학 

특별한 시료를 통과시킨 빛을 프리즘으로 분해하여 어떤 파장의 빛이 시료를 통과한전후에 변화가 생겼는지를 관찰하고 그 원인에 대해 연구하는 분야

요한 야코프 발머 : 수소원자의 스펙트럼에 규칙성을 발견 발머의 공식으로 정리

사이도어 라이먼 : 새로운 수소의 흡수 스펙트럼 발견 -> 라이먼계열

태양의 흡수 스펙트럼 : 태양이 66퍼센트 이상 철로 구성되어있다고 보여짐

태양의 스펙트럼은 대부분 수소의 흡수 스펙트럼이라고 그 외에 가벼운 원자들의 흡수 스펙트럼이 복합적으로 나타나는 것이며 이것이 결과적으로 철의 흡수 스펙트럼 처럼 보이게 한다는 것을발견

 

톰슨의 음극선 발견

 

진공관 양끝에 전극을 설치하고 높은 전압을 걸어주면 음극에서 미지의 선이 방출되는 것을 발견 이것이 음극선

장애물을 통과하지 못함 

자기장에 의해 그 진행방향이 영향을 받음 -> 전하를 띈 입자

음극에서 방출되기때문에 그 전하를 음이라고 정의하고 전자라 부름

원자는 전기적으로 중성

원자는 음전하를 가진 전자와 양전하를 가진 어떤 것이 있다는 증거

톰슨은 퓡과 같은 원자모형 발표

 

리더퍼드의 원자모형

얇은 금박에 헬륨원자핵을 통과시켜 산란되어 나오는 알파입자를 검출기를 이용하여 관찰 

알파입자의 대부분은 입사방향과 같은 방향으로 산란되었지만 때로는 입사된 방향으로 다튀기도함

(1/8000의 확률)

원자 내부는 거의 텅빈 공간이라고 생각

원자 안에 알파입자만큼 무거운 무엇이 존재한다는 것을 암시 ->원자핵

양전하인 원자핵 주위를 전자가 돌고있다고 생각

태양 둘레를 공전하는 행성과 같은 원자모형 제안

'행성 원자모형'

하지만 회전하는 전하는 빛을 방출하고 원자핵과 충돌하게되는 문제가 있음 -> 원자의 안정성 문제

 

보어의 원자모형

보어의 양자화 조건

원자세계에서 전자는 더 이상 입자로서 행동하지 않고 마치 파동처럼 행동

전자의 파동이 원자핵 둘레에서 정상파를 이루게되면 전자가 에너지를 방출하지않음

원자 스펙트럼

주양자수에 따라 전자가 가질 수 있는 에너지가 결정

전자가 정해진 자신의 궤도를 바꿀때 외부로부터 궤도에 할당된 에너지 차이를 빛의 형태로 흡수하거나 방출

->원자 스펙트럼의 원인

 

흑체복사

자연을 완벽하게 이해할만한 모든 도구를 가지고있다고 믿음

뉴턴의 역학

페러데이와 맥스웰의 전자기학

볼츠만의 통계역학

 

당시 과학으로는 설명 불가능했던 문제

저온에서 고체의 비열은 상수가 아니라는 사실

기존의 전자기학으로 설명할 수 없었던 전하와 원자사이의 관계

열에너지를 가진 물체의 전자기 복사 문제

 

흑체와 레일리-진스 복사법칙

통계역학을 이용하여 계산해본결과 파장이  긴 영역에서는 잘 맞지만 파장이 짧은 쪽에서는 실험과 큰 차이를 보임.

 

플랑크의 복사법칙

E=nhv

진동수가 v인 전자기파의 평균 에너지

 

아이슈타인의 광전효과 설명

금속등의 물질이 고유의 특정 파장보다 짧은 파장을 가진 (따라서 높은 에너지를 가진) 전자기파를 흡수했을때 전자를 내보내는 현상

이 현상을 빛의 입자성을 가정함으로써 설명

 

드브로이의 물질파

아이슈타인과 플랑크의 광자에 대한 연구를 토대로 물질의 이중성을 주장

운동량이 p=mv인 입자는 다음과 같은 파장 알파를 갖는다

알파=h/p

보어의 원자모형을 통해 그 유용성이 증명

 

슈뢰딩거 방정식

보어의 원자모형 설명

전자의 궤도 운동에 대한 각운동량의 효과까지 보여줌

 

양자역학 - 미시적 세계를 기술하기위해 고안됨

슈뢰딩거 방정식과 행렬 역학으로 대표됨.

슈뢰딩거 방정식과 행렬 역학은 같은 현상을 다른 관점에서 설명

 

슈뢰딩거 방정식

드브로이의 물질파 개념을 응용하여 제안

입자의 파동 함수에 대한 복잡한 미분 방정식

 

행렬역학

하이젠베르크가 제안

행렬이라는 수학적인 개념을 통해 미시세계 기술

측정의 순서가 중요함을 인지

하이젠 베르크의 불확정성 원리

입자의 위치와운동량을 동시에 정확히 측정할수없다는 것을 뜻함