박사 학위 논문으로 노벨상을 받은 드 브로이

 

   파동성만 있는 것으로 믿어왔던 빛이 '광전 효과'를 통하여 입자성도 가지고 있다는 사실이 밝혀지면서, 드 브로이(Louis Victor de Broglie; 1892~1987)는 입자성만 있는 것으로 믿어왔던 물질도 파동성을 가지고 있다는 가설을 제안하였다. 그리고 입자가 어떤 속력로 운동할 때 나타나는 파장 λ는 질량과 그 속력의 곱에 반비례한다고 주장하였다. 즉, 어떤 입자가 속력을 가지고 운동을 하고 있다면, 파동적 성격을 가지게 된다는 것이다. 그의 박사 학위 논문에서 이와 같은 주장을 하였으나 지도교수들도 받아드려야 할지에 대해 확신을 할 수가 없었다. 그래서 그들은 아인슈타인의 동의를 구하여 논문을 통과시켰다.


   드 브로이의 이와 같은 가설은 3년후에 데이비슨(C. J. Davisson)과 거머 (L. H. Germer)에 의해 파동에서만 나타나는 회절 현상이 전자에 의해서도 나타난다는 사실을 실험으로 우연하게 확인하였으며, 톰슨(G. P. Thopmson)은 의도된 실험에 의해 X선에 의한 회절 사진(앞 사진)과 X선과 파장이 같은 전자에 의한 회절 사진(뒤 사진)이 거의 같음을 확인할 수 있었다(아래 사진). 톰슨의 의도된 실험보다 데이비슨과 거머의 우연한 발견이 1년 정도 먼저 일어났다는 것은 재미있는 일이다.

   데이비슨과 저머는 이 실험에서 드브로이의 물질파 가설을 알고 있지 못했고 따라서 회절을 보기 위한 실험을 한 것은 아니었다. 이들은 전자를 금속에 쏘여서 반사되는 전자가 특이하게도 어떤 특정한 방향으로 무척 강하다는 것을 이상하게 생각하여 학회에 그 결과를 발표하였는데 다른 참가자들이 드브로이의 물질파로서의 전자의 회절무늬일 가능성을 제안하였고, 면밀한 계산을 거쳐 1% 이내로 플랑크 상수가 유도될 수 있었다. 이와 같은 실험 결과로 드 브로이의 가설이 입증되었고, 노벨 물리학상을 받을 수 있었다.

   드 브로이의 물질파에 대한 입증은 슐레딩거의 파동 방정식으로 발전할 수 있었으며, 물질파 이론은 양자 역학의 기초가 되었다.

  박찬호 선수가 던진 야구공이 갖는 파장은 대략 6×10-35m로 측정할 수 없을 만큼 작은 값이다. 이와 같이 파장이 너무 짧으면, 파동의 성질 즉, 회절이나 간섭 현상을 발견할 수 없다. 그런데 9.11 ×10-31 kg 인 전자가 전위차 50V에 의해 가속되었을 때 속력은 4.19 ×106 m/s 이다. 이 경우 운동량은 3.82 ×10-24 kg m/s 이다. 따라서 이 전자파의 물질파 파장은 1.74 ×10-10 m, 즉 0.174 nm로서 빛의 경우라면 X선 정도의 파장을 가지고 있는 것이 되어 경우에 따라 파동으로서의 성질이 극명하게 나타날 수 있다.