양자 역학의 개막 - 불연속적으로 변화하는 에너지

플랑크의 에너지 양자 가설

독일의 물리학자 막스 카를 에른스트 루트비히 플랑크는 레일리-진스의 공식과 빈의 공식을 결합하면, 흑체 방사 스펙트럼을 보다 정확하게 재현할 수 있다고 생각하였고, 여러번의 시행착오 끝에 1900년에 플랑크의 복사 법칙을 도출했습니다. 플랑크는 빛의 에너지는 파동과 같이 연속적으로 변화하는 것이 아니라, 1개, 2개로 셀 수 있는 입자와 같이 불연속적으로 변화한다고 생각했습니다. 그래서 특정 진동수의 빛이 담당할 수 있는 에너지는, 빛의 진동수에 있는 정수를 곱한 값을 최소 단위로해서, 그 정수배가 된다는 에너지 양자 가설을 제창했습니다. 이 상수가 나중에 플랑크 상수라고 불리게 됩니다. 플랑크 상수에 진동수를 곱한 hν를 에너지 양자라고 합니다. 이와 같이 플랑크는 흑체 방사 스펙트럼에 극값이 나타나는 이유를 설명했습니다. 에너지 양자 가설에 따르면, 빛은 hν단위로만 에너지를 교환할 수 있습니다. 이제 특정 크기의 에너지 E를 다양한 진동 수의 빛에 분배하는 것을 고려해 봅시다. 진동수가 커지면 hν단위도 커지므로 진동수가 작은 빛이 더 많은 hν단위로 E를 담당하게 됩니다. E의 분배가 진행되고, 나머지 에너지가 hν보다 작아지면, 빛은 에너지를 담당할 수 없게 됩니다. 또한, hν가 E보다 큰 빛은 처음부터 에너지를 담당 할 수 없습니다. 이와 같이 다양한 진동수의 빛에 E를 분배하려고 하면, 일정 진동수부터는 분배할 수 없게 됩니다. 또한 E의 크기에 따라 효율적으로 에너지를 담당할 수 있는 진동수가 달라집니다. 그 때문에 흑체 방사 스펙트럼에 극값이 나타나게 되는 것 입니다. 당시의 물리학(고전 물리학)에 따르면, 빛의 파동의 에너지는 연속적으로 변화한다는 것이 상식이었습니다. 그러므로 에너지가 불연속적으로 변화하는 플랑크의 에너지 양자 가설은 고전 물리학의 상식을 근본적으로 뒤집는 발견이었습니다. 플랑크가 찾아낸 가설은 후년 알베르트 아인슈타인이나 닐스 헨리크 다비드 보어 등에 의해 확립되어가는 양자역학의 기초가 되었습니다. 이 발견은 양자론의 개막이 되었고, 플랑크는 양자론의 아버지라고 불렸습니다. 그러나 플랑크 본인은 고전 물리학을 믿어 의심치 않았고, 스스로 이끌어낸 가설에 즉시 납득하지 않았습니다. 고전 물리학과 에너지 양자 가설을 연결하는, 어떤 새로운 이론이 발견될 것이라고 믿고 연구를 진행한 것입니다.