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이중슬릿 실험
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1. 개요[편집]
이중슬릿 실험(Double-slit experiment)이란 두 개의 슬릿에서 나오는 결맞은 파동들이 스크린에 도달하는데 까지의 경로차로 인해 간섭을 일으키는 것을 관찰한 실험이다.
이중슬릿 실험은 물질의 파동성과 입자성을 확인하는 실험으로 해석된다. 이는 파동이 고전적인지 양자역학적인지에 상관없이 공통적으로 적용된다. 어떤 물질이 두 개의 미세한 구멍(슬릿, slit)을 통과하는 것을 관찰하면 그 물질이 파동(wave)인지 입자(particle)인지에 따라서 다른 결과가 나온다.
파동은 회절(回折, diffraction)과 간섭(干涉, Interference)의 성질을 지니고 있기 때문에, 동시에 미세한 구멍을 빠져나오는 것이 가능하며 회절과 간섭이 작용하여 뒤쪽 스크린에 그 무늬가 나타난다.
반면 입자는 명확한 궤적을 가지므로 두 구멍 중 하나만을 통과한다. 하나의 궤적만을 가지므로 간섭을 겪지 않고 간섭 무늬를 만들지 않는다.
2. 역사[편집]
그 시작은 영국의 과학자 토머스 영(Thomas Young, 1773~1829)이 빛을 가지고 한 실험이었다. 17세기에 아이작 뉴턴은 빛이 입자임을 주장하였지만 영의 실험으로 빛이 파동성을 띈다는게 입증되었고 빛은 파동으로 인정되었다.
영의 이중슬릿 실험에서 이중슬릿 사이의 간격이 [math(d)] 라면 원래 파동의 진행방향에 대해서 [math(\theta)]만큼 벗어난 방향으로 진행하는 두 파동의 경로차는 [math(d\sin\theta)]이다. 경로차가 [math(n\lambda)] 일때 보강간섭이 일어나므로
에서 보강간섭이 일어난다. [math(\theta)]가 충분히 작은 경우라면 스크린까지의 길이가 [math(L)] 일때 [math(\sin\theta\approx y/L)] 이므로
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이중슬릿에 의한 간섭무늬는 파동성을 입증하는 강력한 증거이다. 따라서 이 실험은 훗날 물질파를 검증하는 실험으로 활용되어 양자역학의 태동에 기여하였다. 1905년 아인슈타인이 광전효과를 자신이 제안한 광양자설을 통해 성공적으로 설명하여 빛이 파동성과 입자성을 동시에 가질 수 있다는걸 보였고, 이에 영감을 받은 루이 드 브로이는 파동이라 생각했던 빛이 입자성의 갖는다면 입자라 생각했던 물질도 파동의 성질을 가질 것이라는 물질파 이론을 제안하였다. 이는 양자역학의 기반이 된다.[2] 1927년 클린턴 데이비슨과 레스터 저머가 전자총을 니켈 결정에 쏘는 실험[3] 을 하여 전자의 물질파를 실험으로 확인하였다. 그 당시 전자는 입자성을 띄고있다고 여겨졌지만 니켈 원자의 결정 구조가 이중슬릿처럼 작용하여 간섭 무늬가 나타났고, 그 간섭무늬로 계산된 전자의 물질파 파장은 드 브로이의 물질파 이론의 예측과 잘 일치하였다.
루이 드 브로이의 물질파 이론에 의하면 모든 물질은 파동성을 가진다. 이는 거시적인 물체도 마찬가지이다. 하지만 그동안 동시에 두 개의 구멍을 통과할 정도로 유의미한 파동성은 오직 미시세계에서만 가능한 이야기로 받아들여졌다. 그러나 현재는 전자는 물론, 원자, 분자[4] 수준에서도 이중슬릿 실험의 성공을 확인하였으며 2019년에는 276개의 원자, 15개 아미노산 구조로 이루어진 박테리아 체내의 생체 분자까지 이중슬릿 실험을 통과한다는 것이 밝혀졌다.