흑체복사

흑체(黑體)란 표면에 입사되는 전자기파를 완전히 흡수하는 상상속의 물체를 말합니다. 즉, 완전한 흑체란 존재할 수 없습니다. 따라서 흑체는 전자기파를 완전히 흡수하였다가 재방출하게 됩니다. 이때 방출하는 에너지(전자기파)를 가지고 그 물체의 온도를 측정할 수 있습니다. 보통 태양이나 별들은 흑체의 성질을 가지고 있어 흑체복사에너지는 태양이나 별의 온도를 측정하는데 사용됩니다.

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      흑체의 복사 에너지 분포 곡선​

<그림 출처 : 네이버 지식백과 Basic 고교생을 위한 물리용어사전 신원문화사>

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​보통 흑체는 복사에너지를 위의 그림과 같은 스펙트럼 분포를 가집니다. 플랑크는 흑체복사의 측정 자료와 일치하는 결과를 얻기 위해 방출된 빛의 에너지가 특정한 상수(h:플랑크상수 6.63×10^-34 J·s)와 진동수(v:파장nm에 따른)를 곱한 값의 정수배로만 주어진다고 하였습니다.

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​정수배란 빛을 입자의 개념으로 본것이며, 따라서 n을 정수인 1,2,3....으로 곱하였을때 구하여지는 빛에너지값(E)이라고 하여, 빛의 에너지는 불연속적인 정수배로 곱해야 제대로 해석이 된다는 것입니다. 따라서 빛을 연속적인 값을 가지고 있는 파동으로 생각했던 개념과 대치되는 불연속적인 값을 가지고 있는 입자의 개념입니다.​

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​이러한 흑체복사 스펙트럼에 대한 해석은 빈과 레일리·진스의 공식으로도 해석이 되었지만, 각각 파장이 긴 경우와 파장이 짧은 경우에 문제점이 있었습니다. 플랑크는 고심끝에 레일리·진스의 공식에 에너지는 정수배로 양자화되어 있다. 즉, E=nhv라고 가정(도입)할때 가장 완벽해진다는 것을 발견했습니다. 이는 결국 에너지는 불연속적인 값을 취할때 성립되는 양자화되어 있다라는 양자물리학의 태동이 되었습니다. 그후 콤프턴의 콤프턴 산란과 아인슈타인의 광전효과 등을 통해 빛의 양자설(입자성)은 힘을 얻었으며, 동시에 빛에너지는 파동이며 입자라는 양자역학의 불확정성의 원리의 시작을 알리는 계기도 되었습니다.

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​순환법칙이 설명하는 흑체복사 - 에너지는 양자화되어 있다.

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흑체는 일반적으로 양성(+)의 성질, 즉, 입자성(+)이 강하므로 흡수하는 에너지(전자기파)를 외부로 잘 방출하지 않습니다. 하지만 일부 전자기파를 방출하므로 흑체의 모양과 크게와는 상관없이 전자기파의 파장으로 흑체의 온도를 측정할 수 있습니다.

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흑체라는 개념은 빛을 빨아들이는 성질이라기보다는 더 정확하게 말하면 인력(+)즉, 양성(+)이 강한 입자나 물질로 구성된 물체를 의미하는 것이 맞습니다. 이러한 물체는 반물질(-)이 아닌 물질(+)이어서 미약하게 나마 에너지(전자기파)를 방출합니다. 따라서 사람도 흑체라고 할 수 있습니다. 즉, 눈에 명확하게 보이는 물체는 흑체의 성질을 어느정도 가지고 있습니다. 이렇게되면 왜 흑체는 빛을 빨아들인다면서 또한 빛을 방출한다는 모순을 해결할 수 있습니다.

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블랙홀은 인력 즉, 중력(+)이 극에 달했으므로 빛도 빨아들여 말그대로 완전한 흑체에 가깝습니다. 따라서 흑체의 개념은 인력(+)이 척력(-)보다 강한 물질입니다.

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빛에너지는 진동과정중 수축(+)하며 입자성(+)을 가질때 불연속적인 값을 취하며, 팽창(-)하며 파동성(-)을 가질때 연속적인 값을 취하는 이중성(대립성)의 상보적 존재입니다.

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블랙홀은 완전한 흑체라고 할 수 있지만, 블랙홀도 수명이 있고, 미약하게 나마 전자기파를 방출합니다. 순환법칙은 완전한 양성(+)물질은 없다고 주장합니다. 왜냐하면 양성(+), 중성(+-), 음성/반양성(-), 반중성(-+)은 하나의 시스템을 이루는 기본 자료이기 때문입니다.

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에너지의 불연속적인 입자성과 연속적인 파동성은 공존할 수 없는 이중성(대립성)이 있지만 순환(循環,circulation,rotation)하며 나타나기 때문에 입자성과 파동성은 공존과 대립의 순환을 하는 시스템입니다. 따라서 하나의 입자와 에너지는 양성(+), 중성(+-), 음성/반양성(-), 반중성(-+)의 시스템을 이루고 있으며, 따라서 이것의 순환으로 인해 모든 입자(+)와 에너지(-)는 진동합니다.

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"흑체는 양성(+) 즉, 물질성(+)이 강한 입자나 물체에 해당되므로, 음성/반양성(-)이 강한 파동(파장)과 같은 입자(여기서는 전자같은 반입자나 반물질)나 에너지는 흑체복사에너지로는 성립이 되지 않습니다. 이것은 에너지는 정수배인 양자화되어 있다!라는 것의 쾌거이며 동시에 한계입니다."

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"흑체복사에너지는 언제까지나 말그대로 흑체 즉, 입자성. 따라서 인력(+)이 강한 물질들의 에너지분포입니다. 따라서 흑체복사에너지분포로 중성자, 중성자별, 전자, 초신성, 암흑에너지, 암흑물질 등의 중성(+-)과 반중성(-+), 반양성(-) 물질을 같이 해석하는 것은 명확할 수 없습니다."

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​    공존 속에 대립을 통한 이중성의 상보성의 우주 원리

흑체 복사 연구는 양자론의 역사에 아주 중요한 부분이다.

왜냐하면 흑체 복사 연구로부터 양자론이 시작되었기 때문이다.

우선 흑체라는 것을 알아볼 필요가 있겠다.

일반적으로 어떤 특정한 색깔을 띄는 물체는 다른 빛은 흡수하지만 그 색깔의 빛은 반사하는 성질이 있다.

그래서 빨간 사과는 붉은 빛을 노란 바나나는 노란 빛을 반사한다.

그리고 흰색의 물체는 대부분의 빛을 반사한다.

한가지 유념할 것은 빨간 사과라고해서 붉은 색의 빛만을 반사하는 것은 아니다.

다른 색의 빛들도 반사를 하지만 유독 붉은 색의 빛을 특별히 많이 반사해서 우리 눈에 붉은 빛으로 보이는 경우도 허다하다.

그럼 흑체는 무엇일까?

흑체(black body, 黑體)란 말 그대로 검은 물체인데, 보통의 검은 물체는 대부분의 빛을 흡수한다.

헌데 흑체는 비춰지는 빛의 100%를 흡수하는 물체이고 완벽한 흑체는 존재하지 않을 수도 있다.

다만 태양을 비롯한 항성들은 흑체에 가까우며 흑체에 근접하는 물체를 만들수 있다.

흑체의 또다른 특징은 온도에 의해서만 방출되는 빛의 성질(진동수 혹은 파장)이 결정된다는 것이다.

그럼 아래 그래프를 살펴보자.

 

 

 

우선 가로축은 파장이다. 그리고 세로축은 방출되는 복사량 즉 빛의 세기라고 보면 되겠다.

주의 할 것은 가로축에서 왼쪽으로 갈수록 파장이 짧아지므로 진동수는 커진다는 것을 명심하자.(파장과 진동수는 역수 관계)

그리고 파장이 짧아 질수록(진동수가 커질 수록) 에너지는 커진다.

진폭이 같은 파동이 두번 진동 할 때 보다는 세번 진동 할때 에너지가 큰 것은 당연하니까.

또한 막대 기둥의 폭은 가시광선의 영역을 나타내고 그보다 파장이 짧은 왼쪽은 자외선, 파장이 긴 오른쪽은 적외선으로 표시되어 있다.

그럼 곡선에 대한 설명이 되어야 하는데 여기서 부터가 좀 어렵다.

일단 검은 색 곡선은 흑체의 온도가 5000K(절대온도, 절대온도 = 섭씨온도 + 273.15)일때 고전 물리학으로 예측한 방출되는 전자기파 파장의 분포를 나타낸 곡선이다.

즉, 고전 물리학의 예측으로는 5000K의 흑체(5000K가 아니어도 상관없다)에서 방출되는 전자기파는 그 세기는 차이가 있더라도 거의 모든 파장의 전자기파를 방출하는 것으로 파악 되었다.

 

그러나 실제로 흑체에서 방출되는 전자기파를 조사해보면 흑체의 온도에 따라 차이는 있지만 그 곡선의 형태는 모두 유사한 모양을 띄고 있었다.

다시 말해 위의 붉은 색과 녹색, 파란 색의 곡선 처럼 긴 파장(작은 진동수)의 전자기파는 약하지만 모든 흑체에서 방출되었고, 파장이 짧아짐에 따라(진동수가 커짐에 따라) 점차 증가하다가 어느 파장의 영역에서 정점을 찍고 이후 급격하게 소멸하는 형태였다.

다만 흑체의 온도가 높을 수록 방출되는 전자기파의 최고 세기와 최고치를 이루는 파장이 짧은 쪽으로(진동수가 큰 쪽으로) 이동하는 것만이 달랐다.

흑체의 실제 방출 전자기파 곡선은 고전 물리학의 예측과는 달라도 너무 다른 결과였고, 당시 과학계에서는 이것을 설명하기 위해 노력하였으나 별다른 성과를 거두지 못했다.

이때 독일의 막스 플랑크가 전혀 새로운 생각을 하게 된다.

 

우선 플랑크는 흑체 복사 그래프의 실체 모양에 맞는 방정식을 고안했고, 문득 에너지가 이동되어지는 최소의 단위가 있을 것이란 생각을 떠올렸다.

즉, 에너지가 전달될 때 연속되는 양으로 전해지는 것이 아니라 최소 단위를 기본으로하는 '띄엄 띄엄'한 양으로 전달될 것이라고 생각했다.

따라서 각종 물리량은 연속적으로 변한다는 생각이 확고한 당시의 상황에서 불연속적으로 변한다는 플랑크의 생각은 혁명에 가까운 파격이었다.

그리고 플랑크는 에너지가 전달되는 최소 단위를 hν​로 표시하고, 전달되는 에너지는 0.5hν나 0.3hν 등등의 단위는 존재하지 않고 hν, 2hν, 3hν,...등으로 전달 된다고 생각하였다.

   

 E = n hν

E : 에너지  n : 정수  h : 플랑크 상수(h=6.62606896×10−34 J·s) ​ ν : 진동수('뉴'라고 읽는다)

 

그렇다면 이런 생각을 바탕으로해서 위 흑체복사 그래프의 모양을 설명해보자.

우선 h는 상수여서 변하지 않는 값이 되므로 결국 에너지를 결정하는 것은 진동수라 할 수 있겠다.

헌데 진동수에는 여러 수많은 값들이 존재하겠지만, 각 진동수보다 큰 값은 그 진동수가 갖는 값의 2배, 3배, 4배 등의 정수배 단위로 늘어난다는 것을 유념하자.

한가지 더, 에너지 등분배 법칙이라는 것이 있어서 일정한 에너지를 각각의 진동수를 갖는 파동에 에너지의 양을 부여할 때 그 에너지 양(그릇)에 따라 골고루 분배되어져야 한다.

다만 그 에너지 양(그릇)의 일부만을 채우는 경우는 허락되지 않는다.

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그럼 이해를 돕기 위해 절대온도 5000K인 용광로를 예를 들고 수치를 단순화 해보자.

우선 용광로가 갖는 에너지의 총량을 1000(단위 생략)이라고 하자.

그리고 진동수에 따라 여러가지의 에너지 양(그릇)을 갖는 파동 몇몇을 대표로 따져보자.(숫자는 임의로 생각해 본 것이다.)

 

분배된 총 에너지량				-	256	256	192	128	80	40	20	10	5
다섯째 분배				-	-	-	-	-	16	8	4	2	1
네번째 분배				-	-	-	-	32	16	8	4	2	1
세번째 분배				-	-	-	64	32	16	8	4	2	1
두번째 분배				-	-	128	64	32	16	8	4	2	1
첫번째 분배				-	256	128	64	32	16	8	4	2	1
각 진동수의 기본 에너지량				512	256	128	64	32	16	8	4	2	1

 

위 표를 살펴보면, 용광로가 가진 에너지 총량을 1000으로 상정했기 때문에 첫번째 분배부터 '512'라는 에너지의 양을 갖는 진동수의 파동은 에너지를 분배 받지 못한다.

이유는 다른 진동수의 파동들에게 에너지를 분배하다 보면 '512'라는 양의 에너지가 남아있지 않기 때문이다.​(최소 단위의 일부만을 채우는 것은 허용되지 않는다.)

그리고 두번​째 분배에서는 '256'의 에너지 양을 가진 진동수의 파동에 분배할 에너지가 남아있지 않다. 그래서 두번째에서는 '256'이 분배에서 배제되었다.

이런 식으로 분배를 다섯번째까지만 나타내보았는데, 이제 분배된 총 에너지량을 주목해보자. 정리하면 이렇다.

없슴	256	256	192	128	80	40	20	10	5
↑	↑	↑	↑	↑	↑	↑	↑	↑	↑
512	256	128	64	32	16	8	4	2	1

 

그리고 위 숫자를 가로축을 파장(진동수)로하고 세로축을 빛의 세기로하는 그래프에 점으로 표시해보자.

결과는 좀 허접하기는 해도 흑체 복사 그래프의 곡선 형태와 비슷하지 않을까?

 

플랑크에 따르면 에너지에는 최소의 단위(크기)가 있고 그것은 hν로 나타낼 수 있으며, 그의 주장을 '에너지 양자 가설'이라 한다.

드디어 양자론이 모습을 드러내기 시작한 것이다.

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