양자 (에너지)

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양자(量子, quantum; 복수형 quanta)는 물리학에서 상호작용과 관련된 모든 물리적 독립체의 최소단위이다. 이 개념의 기저에는 물리적 성질의 기본요소가 "양자화"되어 있다는 생각이 깔려 있으며, 그 생각을 "양자화 가설"이라 한다.[1] 말인즉슨 물리적 성질의 크기가 특정 이산(離散)값으로만 정해질 수 있다는 것이다.

광자의 단일 양자이며, 이에 따라 "광양자"(light quantum)라고도 부른다. 원자에 속박된 전자의 에너지도 양자화되어 있으며, 이에 따라 원자는 안정화되고 물질도 안정화된다.(비슷하게 소리의 단위 입자도 음자/음향양자 phonon라고 한다)

양자역학 이론의 일부로서, 양자 개념은 물리학자들에게 미소세계의 특성을 설명하고 이해하기 위한 근본 골조의 일부로 여겨지고 있다.

"양자quantum"라는 낱말은 라틴어의 "quantus"에서 유래했으며, 이것은 "얼마나 많이how much"라는 뜻이다. "전기양자quanta of electricity"(전자)를 줄인 말인 "양자Quanta"라는 말은 1902년에 필리프 레나르트가 쓴 광전자 효과에 대한 기사에서 찾을 수 있는데, 레나르트는 헤르만 폰 헬름홀츠가 이 단어를 전기학 분야에서 처음 사용했다고 언급하고 있다. 하지만 양자quantum라는 말은 1900년 이전에도 대개 널리 사용되고 있었다.[2] 이 단어는 보통 내과의사들이 적당량(quantum satis) 등의 형태로 사용했다. 헬름홀츠와 율리우스 폰 마이어는 물리학자이면서 동시에 의사였다. 헬름홀츠는 마이어의 연구를 논하면서 열을 가리킬 때 "양자quantum"라는 말을 사용했다.[3] 실제로 1841년 7월 21일에 쓰여진 마이어의 편지에서 열역학 제1법칙 방정식을 설명할 때 "양자quantum"라는 단어가 발견된다.[4] 막스 플랑크는 "양자quanta"를 "물질과 전기의 양자",[5] 그리고 기체와 열에 대해서 사용했다.[6] 1905년, 플랑크의 연구와 "전기의 양자"라는 표현을 사용한 레나르트의 연구에 응한 알베르트 아인슈타인방사선이 공간적으로 분리된 뭉치로 이루어져 있다는 가설을 제기했고, 그 뭉치를 "광양자"(Lightquanta)라고 칭했다.[7]

방사선 복사의 양자화 개념은 1900년 막스 플랑크가 흑체복사를 설명하기 위해 도입한 것이 시초이다. 에너지가 매우 작고 이산적인 덩어리(플랑크는 이것을 "에너지 요소energy element"라고 칭했다)의 형태로만 흡수 또는 방출될 수 있다고 가정함으로써,[8] 플랑크는 가열된 물체의 색이 변하는 것을 설명할 수 있었다.[9] 1900년 12월 14일, 플랑크는 자신의 혁명적 발견독일 물리학회에 발표했고, 양자화 개념을 흑체복사 연구의 일부분으로서 처음 소개했다.[10] 실험 결과 플랑크는 플랑크 상수로 알려진 숫자값 하(ℎ)를 계산해냈고, 아보가드로-로슈미트 수전하 단위의 보다 정확한 값을 독일 물리학회에 보고할 수 있었다. 그의 이론이 입증된 뒤, 이 발견으로 플랑크는 1918년 노벨 물리학상을 수상했다.

주석[편집]

  1. Wiener, N. (1966). Differential Space, Quantum Systems, and Prediction. Cambridge: The Massachusetts Institute of Technology Press
  2. E. Cobham Brewer 1810–1897. Dictionary of Phrase and Fable. 1898.
  3. E. Helmholtz, Robert Mayer's Priorität [1] (독일어)
  4. Herrmann,A. Weltreich der Physik, GNT-Verlag (1991) [2] (독일어)
  5. Planck, M. (1901). Ueber die Elementarquanta der Materie und der Elektricität. Annalen der Physik 309 (3): 564–566. doi:10.1002/andp.19013090311. Bibcode1901AnP...309..564P. (독일어)
  6. (1883) Ueber das thermodynamische Gleichgewicht von Gasgemengen. Annalen der Physik 255 (6): 358. doi:10.1002/andp.18832550612. Bibcode1883AnP...255..358P. (독일어)
  7. Einstein, A. (1905). Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. Annalen der Physik 17 (6): 132–148. doi:10.1002/andp.19053220607. Bibcode1905AnP...322..132E. (독일어).
  8. Max Planck (1901). Ueber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum (On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum). Annalen der Physik 309 (3): 553. doi:10.1002/andp.19013090310. Bibcode1901AnP...309..553P.
  9. Brown, T., LeMay, H., Bursten, B. (2008). Chemistry: The Central Science Upper Saddle River, NJ: Pearson Education ISBN 0-13-600617-5
  10. (1961) Max Planck and the beginnings of the quantum theory. Archive for History of Exact Sciences 1 (5): 459. doi:10.1007/BF00327765.

추가 자료[편집]

  • B. Hoffmann, The Strange Story of the Quantum, Pelican 1963.
  • Lucretius, On the Nature of the Universe, transl. from the Latin by R.E. Latham, Penguin Books Ltd., Harmondsworth 1951. There are, of course, many translations, and the translation's title varies. Some put emphasis on how things work, others on what things are found in nature.
  • J. Mehra and H. Rechenberg, The Historical Development of Quantum Theory, Vol.1, Part 1, Springer-Verlag New York Inc., New York 1982.
  • M. Planck, A Survey of Physical Theory, transl. by R. Jones and D.H. Williams, Methuen & Co., Ltd., London 1925 (Dover editions 1960 and 1993) including the Nobel lecture.
  • Rodney, Brooks (2011) Fields of Color: The theory that escaped Einstein. Allegra Print & Imaging.