흑체복사(Black body radiation)

이전 글인 양자역학의 도입부를 설명하는 글에서 양자역학이라는 학문의 등장에 관한 이론적 배경을 살펴보았습니다. 양자역학은 흑체복사 곡선에 대한 기존 학자들의 설명이 현실과 괴리가 있다는 사실에서 시작됩니다. 이번 시간에는 수학적으로 그 괴리와 이를 해결한 플랑크의 생각을 소개하기 시작할 것이며, 복잡한 계산들이 등장하게 될 것입니다.

 

이 글부터 시작하여 앞으로 양자역학 카테고리에 실릴 글들은 학부 3학년 수준의 양자역학이기 때문에 많은 이과학생들이 공통적으로 배우는 일반물리학의 내용을 뛰어넘습니다. 물론, 훌륭한 일반물리학 교과서를 보면 양자역학 부분에서 결론들 위주로라도 멋지게 서술해둔 것들이 있으나, 그 설명들은 수학적 테크닉을 거의 동원하지 않습니다. 하지만 학부 전공 과목으로서 양자역학을 이제부터 글로 담을 것이기에 앞으로의 글들은 모두 양자역학 전공교재에서 소개하는 수학적 도구들을 거침없이 사용할 것이기 때문에 일반물리학으로 양자역학을 공부하시는 분들은 결론 위주로 참고하시면 됩니다.

 

참고로 그러한 수학적 방법들 대부분은 이미 블로그의 다른 카테고리에서 서술되어 있을 것이고, 주석이나 링크를 달아 설명을 돕겠습니다. 그리고 만일 고등학교 과학 수준에서의 흑체복사를 원하시는 분들은 흑체복사의 정의 외에는 얻어갈 것이 별로 없을 것이고, 다음 포스팅에서 플랑크 곡선을 참고하시는 것이 좋을 듯 합니다.

---

1. 흑체복사

 

1) 정의

 

'흑체(Black body)'란 입사하는 모든 전지가 복사를 일체 반사하지 않고 전부 흡수하기만 하는 가상의 물체를 말하며, 일정한 온도를 가지면서 방출하는만큼 전자기 복사를 하여 열평형 상태에 도달해 있다. 이 때 흑체가 전자기 복사를 방출하는 현상을 '흑체복사(Black body radiation)'이라고 부른다. 

 

[그림 1] 흑체의 예시.

 

2) 흑체의 예시

 

[그림 2] 태양은 흑체로 간주할 수 있다.

 

현실에서 물체가 실제로 빛을 흡수하기만 하고, 반사하지 않으며 흡수한만큼 완전히 같게 방출하는 흑체복사를 보여주는 것은 불가능합니다. 틈이 아주 작게 나 있는 박스나 열쇠구멍 같은 것이 흑체에 가깝다고 말할 수 있으나 근사된 것이고 완전한 흑체는 존재하지 않습니다. 인위적으로 만든 위와 같은 박스를 제외하고, 우주에서 가장 흑체에 가까운 것은 별이라고 볼 수 있습니다. 태양 역시 흑체로 간주하여 플랑크 곡선을 그리고 최대 방출 세기 파장은 가시광선 영역대입니다. 별의 온도가 높아질수록 이 파장대는 짧아지게 되고, 별의 온도가 낮아지면 이 파장대는 길어지게 됩니다.

 

그런데 흑체복사 형태를 쭉 관측했더니, 기존의 학자들이 설명했던 방식에 한계가 있음이 발견됩니다. 그 과정을 하나 하나 살펴볼 예정인데, 빈의 변위 법칙, 레일리-진스 법칙, 그리고 플랑크 법칙 순서대로 소개할 것입니다.

 

 

[참고문헌]

University Physics with Modern Physics, Pearson, Hugh D. Young, Roger A. Freedman