물질의 이중성

입자의 회절

학습목표

ㅇ 파동의 전파 원리를 설명할 수 있다.

물질의 이중성

전자의 파동성: 전자의 파동성 정지해 있는 전자를 전위차 V로 가속시켰을 때, 속력이 v로 되었다면 이 전자의 운동 에너지는 가속시킬 때 전위차에 의한 일과 같으므로

에서

로 된다. 이것을 물질파의 파장

에 대입하면, 전자의 물질파의 파장 λ는

여기에

을 대입하면

이 된다.

입자의 회절: 1927년 미국의 데이비슨(Davisson)과 거머(Germer), 영국의 톰슨(J.J. Thomson)은 각각 원자의 간격이 적당한 결정엥서 전자가 산란될 때 회절 현상이 나타나는 것을 보임으로써 드 브로이(de Broglie)의 가설의 정당성을 확인하였다.

① 데이비슨과 거머의 실험 : 데이비슨과 거머는 다음 그림과 같은 장치를 사용하여 니켈의 결정면에 전자선의 가속 전압을 변화시켜 전자의 속력을 어느 특정한 속력에 이르 게 하였을 때에 산란 현상이 두드러지게 나타난다는 것을 발견하였고 그림과 같은 회절 사진을 얻었다.

② 입자의 이중성 : 전자파의 경우에서와 같이 운동하는 물체의 파동적 모습과 입자적 모 습은 절대로 동시에 관측되지는 않는다. 그러므로 우리는 어느 쪽이 옳은 설명이라고 결 정할 수는 없다. 다만 우리가 말할 수 있는 사실은 운동하는 물체는 어느 면에서는 파동 적 성질을 나타내고 또 다른 어느 면에서는 입자적 성질을 나타낸다고 할 수 있다. 어느 성질이 더 현저한가는 드브로이 파장의 크기가 물체의 부피와 비교해서 얼마만큼 큰가에 달려 있다. 54eV의 전자에 해당하는 1.66 Å의 파장은 니켈 결정의 격자 간격과 거의 같 은 크기이다. 그러나 100㎞/h로 달리는 자동차의 파장은 약 로서 이것은 파동적 성질을 나타내기 위해서는 너무나도 작은 크기이다.

톰슨

물질의 이중성: 물질의 이중성 고전 물리에서 입자로만 생각했던 물체는 대부분 드브로이 파장이 대단히 짧기 때문에 그 진로를 직선으로 볼 수 있어서 뉴턴 역학으로 설명이 잘 된다. 전자는 진공관 내에서 운동할 때에는 관의 크기가 전자의 드브로이 파장에 비해 대단히 크기 때문에 뉴턴 역학이 성립된다. 그러나 같은 크기의 드브로이 파장을 가지고 있는 전자라 할지라도 원자 안에서 운동하고 있을 때에는 그 파장이 원자의 크기와 비슷하기 때문에 뉴턴 역학으로는 설명할 수 없으며 파동성이 두드러지게 나타난다. 모든 물질 입자는 전자에서와 같이 입자성과 파동성을 모두 다 지니고 있다. 즉 미시적인 세계에서는 빛과 마찬가지로 물질 입자도 파동과 입자의 이중적인 성질을 나타내며 이를 물질의 이중성 이라 한다. 빛과 같이 이중성이 있다. 그러나 물질 입자의 이러한 이중성은 동시에 나타나는 경우는 없으며 입자성과 파동성 중 어느 쪽이 나타나는가는 공간의 크기와 입자의 드브로이 파장에 의해 정해진다.

물음 15. 그림은 X 선과 전자선을 얇은 알루미늄박에 입사시켰을 때의 모습이다. 이 그림에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

정답	① 전자선의 무늬는 전자의 질량과 관계 있다. ② 전자선의 무늬는 전자의 속도와 관계가 깊다. ③ 전자선의 무늬는 입자의 파동성을 보여 준다. ④ 두 파동이 중첩될 때 합성파의 변위는 각 파동의 변위의 합이다. ⑤ X선의 무늬는 파동의 입자성을 보여 준다.

물질파 전자와 원자핵의 발견 파동과 입자 목록