양자역학 - Quantum mechanics [1]

양자역학 - Quantum mechanics

양자장 이론을 포함한 양자역학(QM; 양자물리학, 양자이론, 파동기계모델, 매트릭스역학으로도 알려져 있음)은 물리학의 기본 이론이다. 그것은 원자 규모로 자연의 진보된 성질을 묘사한다. 상대성 이론과 양자역학 이전에 존재했던 물리학의 설명인 고전물리학은 자연의 여러 측면을 보통(거시적) 척도로 설명하고, 양자역학은 작은(원자적, 아원자적) 척도로 설명한다. 고전물리학의 대부분의 이론은 큰 (거시) 척도에서 유효한 근사로서 양자역학으로부터 도출될 수 있다. 양자역학은 에너지, 운동량, 각운동량 및 바운드 시스템의 다른 양이 이산값(양자화), 물체는 입자와 파동 모두의 특성을 가지며(파동-입자 이중성), 물리적 양의 값이 얼마나 정확하게 우세할 수 있는가에 한계가 있다는 점에서 고전 물리학과는 다르다. 측정 전 전체 초기 조건 집합(불확실성 원리)을 지정한다. 양자역학은 1900년 막스 플랑크의 해법처럼 고전물리학과는 화해할 수 없는 관측을 설명하는 이론부터 흑체 방사선 문제, 광전효과를 설명한 알버트 아인슈타인의 1905년 논문에서 에너지와 주파수 사이의 일치성까지 점차 생겨났다. 초기 양자론은 1920년대 중반 에르윈 슈뢰딩거, 베르너 하이젠베르크, 막스 본 등에 의해 심오하게 재인식되었다. 현대 이론은 특별히 개발된 다양한 수학 공식으로 공식화되었다. 그 중 하나에서, 수학적 함수인 파동 함수는 에너지의 확률 진폭, 운동량, 그리고 입자의 다른 물리적 특성에 관한 정보를 제공한다.

양자역학의 역사

빛의 파동성에 대한 과학적 연구는 17, 18세기에 Robert Hooke,  Christiaan Huygens, Leonhard Euler와 같은 과학자들이 실험적인 관찰을 바탕으로 빛의 파동 이론을 제안하면서 시작되었다. 1803년 영국의 polymath Thomas Young은 이 유명한 이중 슬릿 실험을 묘사했다. 이 실험은 빛의 파동 이론을 일반적으로 수용하는 데 큰 역할을 했다. 1838년에 Michael Faraday는 음극선을 발견했다. 이러한 연구들은 Gustav Kirchhoff의 흑체 방사선 문제에 대한 1859년 진술, 물리적 시스템의 에너지 상태는 분리될 수 있다는 Ludwig Boltzmann의 1877년 제안, 그리고 Max Planck의 1900년 양자 가설이 그 뒤를 이었다. 에너지가 방사되고 분리된 "퀀타(quanta)"에 흡수된다는 플랑크의 가설은 흑체 방사선의 관측된 패턴과 정확히 일치했다. 1896년 Wilhelm Wien은 경험적으로 빈의 법칙이라 불리는 흑체 방사선의 분포 법칙을 결정했다. 루드비히 볼츠만은 맥스웰 방정식의 고려에 의해 독립적으로 이 결과에 도달했다. 그러나 높은 주파수에서만 유효했고 낮은 주파수에서 광도를 과소평가했다.

Max Planck는 열역학에 대한 볼츠만의 통계적 해석을 이용하여 이 모델을 수정하고, 현재 플랑크의 법칙이라고 불리는 것을 제안하여 양자역학의 발전을 이끌었다. 1900년 플랑크가 흑체 방사선 문제에 대한 해결책(보고 1859년) 이후 알버트 아인슈타인은 광전 효과에 대한 양자 기반 설명을 제시했다(1905년, 보고 1887년). 1900~1910년경, 빛의 분자 이론은 아니지만 원자 이론은 처음에는 과학적인 사실로 널리 받아들여지게 되었다. 이러한 후자의 이론들은 각각 물질의 양자 이론과 전자기 방사선으로 간주될 수 있다. 그러나 광자 이론은 1915년경에야 널리 받아들여졌다. 아인슈타인의 노벨상 때까지도 닐스 보어는 광자를 믿지 않았다.양자 현상을 가장 먼저 연구한 사람으로는  Arthur Compton, C. V. Raman, Pieter Zeeman이 있었는데 각각 그의 이름을 딴 양자 효과를 가지고 있다. Robert Andrews Millikan은 광전 효과를 실험적으로 연구했고, 알버트 아인슈타인은 이를 위한 이론을 개발했다. 동시에 어니스트 러더포드가 원자의 핵 모델을 실험적으로 발견했고, 닐스 보어는 Henry Moseley의 실험으로 확인된 원자 구조 이론을 개발했다. 1913년 피터 데비는 타원 궤도를 도입함으로써 보어의 이론을 확장시켰는데, 이 개념은 Arnold Sommerfeld에 의해서도 도입되었다. 이 단계는 오래된 양자 이론으로 알려져 있다.

Planck에 따르면, 각 에너지 요소(E)는 주파수(v)에 비례한다. 

E=hv

여기서 h는 플랑크의 상수다.