양자 역학의 개막 - 고온의 물체에서 방출되는 빛에 대한 연구

뜨거운 철 상자에서 방출되는 빛의 이상한 현상

고온의 물체에서 방출되는 빛을 조사하기 위해서는 색이 있는 물체를 사용할 수 없습니다. 왜냐하면 색이 있는 물체는 그 색에 대응하는 빛을 방출하기 때문입니다. 그렇기 때문에 검은 물체가 방사하는 빛, 흑체 복사가 연구의 대상이 되었습니다. 그러나 다양한 파장의 빛을 방출하거나 흡수하는 이상적인 흑체는 존재하지 않습니다. 프로이센의 물리학자 구스타프 로베르트 키르히호프는 내부가 비어있어 공동상태인 철 상자에 작은 구멍을 뚫은 장치를 고안했습니다. 이 구멍에서 빛을 넣으면 빛은 내부에서 반사를 반복하고 곧 흡수되어 버립니다. 반대로 이 상자를 가열하면 빛이 구멍에서 나옵니다. 그는 이 철 상자가 이상적인 흑체 방사를 할 것이라고 생각하고, 상자를 고온으로 만들 때 구멍에서 나오는 빛의 에너지를 조사했습니다. 이 공동으로부터의 열의 복사를 공동복사라고 합니다. 이 실험에서 얻은 흑체 방사선 스펙트럼은 그림과 같습니다. 온도와 관계없이 빛의 에너지는, 빛의 진동수가 작을 때는 진동수의 증가에 따라 커지지만, 일정 진동수를 초과하면 다시 작아집니다. 이때 빛의 에너지가 최대가 되는 진동수는 온도가 높을수록 커집니다. 이 스펙트럼의 형상은 당시의 물리학자들의 예상과는 달랐습니다. 그들은 파동인 빛은 진동수가 클수록 큰 에너지를 가질 수 있다고 생각했습니다. 이론적 기대에서 스펙트럼은 우상향해야 하고, 빛의 에너지가 특정 진동수에서 갑자기 작아질 수 없다고 생각했습니다. 영국의 물리학자 존 윌리엄 스트럿 레일리 남작과 제임스 호프우드 진스, 독일의 물리학자 빌헬름 카를 베르너 오토 프리츠 프란츠 빈은 각각 흑체 복사 스펙트럼의 근사식을 찾기 시작했습니다. 그들은 각각 레일리-진스의 공식과 빈 변위 공식으로 스펙트럼을 찾는 수식을 만들었습니다. 그러나 레일리-진스의 식은 진동수가 커지면 실측치와 맞지 않고, 빈의 식은 진동수가 작아지면 실측치와 맞지 않았습니다. 이후 레일리-진스의 공식과 빈의 공식을 참고로 근사치와 실측치가 잘 어울리는 식을 찾아낸 것은 독일의 물리학자 막스 카를 에른스트 루트비히 플랑크였습니다.