플랑크 상수

길이는 연속적인 양이지요. 선의 두 점 사이를 나누면 무한히 많은 부분으로 나눌 수 있습니다. 이런 식으로 어떤 양을 무한히 많이 나눌 수 있을 때 연속적인 양이라고 하지요.

 

에너지도 연속적인 양이라고 생각했습니다.

 

운동에너지를 예로 들면 속도의 제곱에 질량을 곱해서 2로 나눈 것이 운동에너지이기 때문에 운동에너지 2 J 과 3 J  사이에는 무한이 많은 다른 운동에너지가 있을 수 있지요.

 

그런데 플랑크가 에너지를 연속적인 양이라고 생각하면 안된다는 증거를 흑체복사 공식을 유도하면서 발견하였습니다. 에너지를 어떤 작은 양보다 더 작게 나누면 흑체 복사 공식을 설명할 수가 없었습니다. 그래서 가장 작은 단위의 에너지 양을 플랑크 상수라고 부르게 된 것입니다.

 

플랑크가 그것을 알게 된 뒤로 빛이 파동이 아니라 입자의 성질을 가지고 있다는 것을 설명할 때 플랑크 상수가 항상 필요했습니다. 잘 아는 것처럼, 아인슈타인이 광전효과를 설명할 때도 플랑크 상수를 이용하였고 콤프턴 산란을 설명할 때도 플랑크 상수가 이용되지요. 그래서 플랑크 상수 h는 미시세계를 설명하는데 꼭 필요한 중요한 상수 중 하나입니다.

 

20세기의 전환기에 막스 플랑크는 양자 이론을 탄생시킴으로서 물리학의 근본 구조를 완전히 바꾸어 놓았다.

플랑크가 양자를 발견한 배경에는 19세기 말 물리학자들을 괴롭힌 '흑체 복사(blackbody radiation)' 문제가 놓여 있었다. 그가 흑체 복사 문제에 관심을 갖게 된 것은 그 문제가 근본적으로 중요하다는 단 한가지 이유 때문이었다. 용광로처럼 가열된 구멍에서 복사되는 빛은 밝은 황색에서부터 적색, 청백색 등의 여러 가지 스펙트럼을 발산한다. 1884년 스테판의 추론을 같은 해에 볼츠만이 이론적으로 설명한 온도와 복사에너지의 관계는 총에너지=σT4 라는 수식으로 나타낼 수 있다. 이때 총에너지는 단위 면적당 단위 시간에 흑체에서 복사되는 에너지이고 T는 절대온도이다. 복사열의 성질은 순전히 온도와 파장에 달려 있고 물체 자체의 성질과는 관계가 없다. 즉 고전 법칙에 의하면 모든 복사 에너지를 흡수한 물체의 복사라면 열과 빛은 자외선 파장에서 방출해야 한다.

플랑크는 여러 번의 실패 끝에 흑체 복사를 예측하는 공식을 만들었다. 여기에서 그는 에너지는 불연속적인 단위 또는 다발로 복사된다는 가정을 사용하였다. 즉 에너지는 길이나 무게와 같이 연속적으로 어떤 값이든지 다 가질 수 있는 것이 아니라 플랑크 상수와 진동수를 곱한 만큼의 값만을 가질 수 있는 것이다. 이 이론은 E=hν 라는 식으로 나타낼 수 있다. 여기서 h는 플랑크 상수이고 ν는 진동수이다. 플랑크는 1900년 12월 양자에 관한 최초의 논문을 발표하여 양자물리학을 탄생시켰다.

1905년 아인슈타인은 양자설을 이용해 광전효과를 설명했고, 1913년 보어는 플랑크의 접근법이 담고 있는 폭넓은 의미를 원자모형에 이용해 원자 내부에서 전자가 양자화된 특정 궤도 상에서만 존재한다고 가정했다.