빛의 속성 및 물질과 상호작용하는법

빛의 속성 및 물질과 상호작용 하는 법

빛, 즉 가시광선은 흔히 사람의 눈으로 탐지할 수 있는 전자기 방사선을 가리킨다. 전체 전자기 스펙트럼은 미터 단위로 측정하는 파장을 가진 에너지 전파부터 1 x 10-11m 미만의 파장을 가진 고에너지 감마선까지 매우 광범위하다. 전자파 방사선은 이름에서 알 수 있듯이 전기장과 자기장의 변동을 기술하여 빛의 속도로 에너지를 수송한다. 빛은 광자의 흐름, 질량이 없는 에너지의 패킷으로 각각 빛의 속도로 이동하는 것으로도 설명할 수 있다. 광자는 수송할 수 있는 에너지의 가장 적은 양으로, 빛이 양자 이론의 기원이었던 이산 퀀타에서 이동한다는 깨달음이었다. 가시광선은 인간의 눈이 가시파를 감지할 수 있다는 점을 제외하고는 전자기 스펙트럼의 다른 부분과 본질적으로 다르지 않다. 이는 실제로 보라색 빛의 경우 약 400nm에서 적색 빛의 경우 700nm에 이르는 매우 좁은 전자기 스펙트럼의 창에만 해당한다. 400nm 미만 방사선은 자외선이라고 하고 700nm 이상 방사선은 적외선이라고 하는데, 이 중 어느 것도 사람의 눈으로 감지할 수 없다. 그러나 안도르가 제조한 것과 같은 첨단 과학 검출기는 훨씬 광범위한 전자기 스펙트럼에서 광자를 검출하고 측정하는 데 사용될 수 있으며, 또한 눈이 검출할 수 있는 것보다 훨씬 적은 양까지 광자를 검출하고 측정할 수 있다. 그렇다면 빛은 물질과 어떻게 상호작용하는지 알아보자. 인간이 빛을 볼 수 있다는 것은 우연이 아니다. 빛은 우리 주변의 세계를 인지하는 일차적인 수단이다. 사실, 과학적인 맥락에서, 빛의 탐지는 우리 주변의 우주를 탐사하기 위한 매우 강력한 도구다. 빛이 물질과 상호작용을 할 때 그것은 변질될 수 있고, 물질과 상호작용을 한 빛을 연구함으로써 그 물질의 많은 성질을 결정할 수 있다. 예를 들어 우리가 광년 떨어져 있는 별과 은하의 구성을 이해하거나 살아있는 세포 안에서 일어나는 미세한 생리학적 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 것은 빛의 연구를 통해서다. 물질은 원자, 이온 또는 분자로 구성되어 있고 그것은 빛과의 상호작용을 통해 우리가 물질의 본질을 이해하는 데 도움을 줄 수 있는 다양한 현상을 발생시킨다. 원자, 이온 또는 분자는 보통 물질의 전자가 수용할 수 있는 에너지 수준과 연관되어 에너지 수준을 정의했다. 빛은 때때로 물질에 의해 생성되거나, 더 일반적으로 빛의 광자는 여러 가지 방법으로 에너지 레벨과 상호작용할 수 있다. 우리는 물질의 에너지 수준을 자블론스키 도표로 알려진 체계로 나타낼 수 있다. 가능한 가장 낮은 에너지 상태의 원자나 분자는 광자를 흡수할 수 있는데, 이를 통해 원자나 분자가 흥분 상태라고 알려진 더 높은 에너지 수준 상태로 상승할 수 있다. 따라서 이 물질은 특성 파장의 빛을 흡수할 수 있다. 원자나 분자는 일반적으로 매우 짧은 시간 동안만 흥분된 상태로 머물며 여러 메커니즘에 의해 다시 지상으로 이완된다. 표시된 예에서, 흥분한 원자나 분자는 처음에는 광자를 방출하는 것이 아니라 내부 프로세스에 의해 낮은 에너지 중간 상태로 에너지를 손실하는데, 이것은 전형적으로 물질을 가열한다. 그런 다음 중간 에너지 레벨은 처음에 흡수된 광자보다 낮은 에너지의 광자 방출에 의해 지면 상태로 이완된다. 그렇다면 우리는 빛을 이용해서 어떻게 물질을 연구할까? 물질에 의해 흡수되거나 방출되는 광자는 특징적인 에너지의 것이 될 것이기 때문에, 물질과 상호 작용한 빛이 분광기를 이용하여 그 구성 파장으로 분할될 때, 그 결과로 생기는 스펙트럼 서명은 물질 자체에 대해 엄청난 양을 말해준다. 광범위한 분광학 분야는 라만 분광학, 흡수, 전송, 반사 분광학, 원자 분광학, 레이저 유도 고장 분광학 및 과도 흡수 분광학 등 다수의 분광 기법을 구성하여 원자와 원자의 과학적 특성에 관한 풍부한 유용한 정보를 제공한다. 분자뿐만 아니라, 표본에 있는 그러한 물질의 양을 매우 구체적으로 식별하고 수량화할 수 있다. 우리가 나뭇가지에 있는 나뭇잎을 보고 있을 때 우리는 빛이 나뭇잎에서 녹색이라고 말하기 위해 반사된다는 것을 안다. 하지만 정확히 무엇이 빛인가? 두 가지 초기 아이디어는 17세기에서 나온 것인데, 영국의 과학자 아이작 뉴턴은 빛이 뜨거운 물체가 내뿜는 작은 입자로 만들어졌다고 생각했고, 그의 현대 물리학자 크리스티아안 후이겐스는 빛이 앞으로 나아갈수록 위아래로 진동하는 일종의 파동이라고 생각했다. 그래도 그들 둘 다 빛이 진짜 무엇인지에 대한 개념은 없었다. 뉴턴은 자신의 말뭉치가 무엇으로 만들어졌는지 전혀 알지 못했다. 휴겐은 무엇이 떨어지는지에 대한 개념이 없었다. 우연히도 광자가 입자인지 파동인지에 대한 문제는 완전히 해결된 적이 없다. 우리는 빛의 분장을 이해하기 위한 첫 단계를 1820년 코펜하겐의 벤치탑까지 추적할 수 있는데, 그곳에서는 덴마크 과학자 한스 크리스티안 외스트레드가 전기에 대해 강의를 하고 있었다. 우연히 그가 시연할 때 사용하던 배터리 근처에 나침반이 놓여 있었는데, 그는 배터리를 켜거나 끌 때 나침반 바늘이 갑자기 홱 돌아가는 것을 알아차렸다. 이것은 전기와 자력이 관련되었다는 것을 의미했다 – 또는 나중에 더 공식적으로 설명되었듯이, 변화하는 전기장은 자기장을 생성한다. 그 후 11년 후, 영국의 과학자 마이클 패러데이는 정반대의 울림이 사실이라는 것을 발견했다: 변화하는 자기장도 전기장을 만든다는 것이다. 전기와 자력에 관한 이러한 생각들을 수집하여 하나의 일관성 있는 전자론으로 끌어모은 사람은 스코틀랜드의 물리학자 제임스 서기 맥스웰이었다. 그러나 맥스웰의 가장 유명한 통찰력은 외스테드와 패러데이의 작품을 결합하여 빛의 본질을 설명할 때였다.