광자

광자(光子, photon) 기본입자의 일종으로, 가시광선을 포함한 모든 전자기파를 구성하는 양자이자 전자기력의 매개입자이다. 기호는 그리스 문자 γ 이다. 전자기력의 효과는 미시적, 거시적인 수준에서 쉽게 관찰할 수 있는데, 광자가 질량을 가지지 않기 때문에 장거리에서의 상호작용이 가능하다. 다른 기본입자들과 같이 광자는 양자역학과 입자-파동 이중성 이론을 통해 가장 잘 설명된다. 하나의 현상임에도 파동과 양자라는 두 가지 관측 가능한 모습을 가진 광자의 진짜 성질은 어떤 역학적 모델로도 설명할 수 없다. 이러한 빛의 이중성의 묘사, 전자기파에서의 에너지의 위상을 파악하는 것 또한 불가능하다. 전자기파의 양자의 위치는 공간적으로 국한되지 않기 때문이다.

광자 한 개의 에너지는 플랑크 상수(h)에 빛의 진동수(ν)를 곱한 값, 즉 hν이고, 운동량은 hν/c(c는 광속)이다.

개요

광자는 입자로서의 빛으로, 빛알이라고도 한다. 그러나 이는 고전역학에서 기술하는 입자, 즉 고전 입자(classical particle)와는 다르다. 고전 입자는 주어진 시간에 위치와 속도를 동시에 기술할 수 있다. 양자역학의 입자는, 파동으로서의 성질과 함께 상보적으로 이해해야 한다. 입자물리학의 표준 모형에서는 광자를 전자기력을 매개하는 기본입자라고 보고 있다. 광자의 운동과 상호작용은 양자장론으로 기술한다.

광자를 이야기할 때 빛은 좁은 의미인 가시광선이 아니라 넓은 의미인 전자기파를 뜻한다. 양자역학의 발전을 통해, 빛은 개수를 셀 수 있는 입자, 즉 양자(quantum)로 볼 수 있게 되었다.

역사와 발견

뉴턴(I. Newton, 1643-1727)은 빛을 입자로 보고 반사 등의 많은 물리현상을 설명할 수 있었다. 그러나 간섭을 설명할 수 없었고, 뉴턴 당대에도 하위헌스(C. Huygens, 1629-1695)등이 빛을 파동으로 보는 입장이 존재했다. 그러나 영의 실험을 통해 빛은 파동이라고 결론지어지고 논쟁이 끝나는듯 했다. 외르스테드(H. C. Ørsted, 1777-1851)와 패러데이(M. Faraday, 1791-1867)는 전기와 자기 현상이 서로 연관이 있음을 밝혔으며, 맥스웰(J. C. Maxwell, 1831-1879)이 최종적으로 빛은 전자기파의 일종이며, 진공 중에서 라고 부르는 속력으로 전파된다는 것을 보였다.

1901년 플랑크(M. Planck, 1858-1947)의 흑체복사 분석을 통해, 빛이 양자화되어야 한다는 것을 발견하게 되었다. 온도가 정해진 흑체의 파장에 따른 복사량을 설명해야 하는데, 관측된 양을 설명하는 유일한 방법은 빛은 고전적인 파동처럼 연속적인 것이 아니며, 개수를 셀 수 있는 것으로 보는 것이었다. 1905년 아인슈타인(A. Einstein, 1879-1955)이 광전효과를 설명하기 위하여 역시 빛이 양자화 되어야 한다는 것을 알아낸다. 빛이 금속에 흡수되어 흐르는 전류는 연속적인 것이 아니라, 한 개의 빛이 금속에 흡수되느냐 되지 않느냐 하는 이산적인 양이다. 또한 1924년 콤프턴(A. Compton, 1892-1962)이 콤프턴효과를 빛 입자로 설명하게 되었다. 드브로이(L. de Broglie, 1892-1987)가 모든 물질은 파동으로 이해해야 한다는 물질파이론을 제창하였다. 따라서 반대로 파동도 물질로 이해할 수 있다.

성질

양자전기역학을 통해 빛을 입자로 이해할 수 있다. 입자들의 성질은 질량, 스핀, 전하만으로 분류할 수 있으며, 광자는 질량이 0, 스핀이 1, 전하는 0이다.

광자의 질량은 실험을 통해 검측되지 않았으므로, 0이라고 생각해도 아직 모순이 없다. 질량이 있다고 가정했을 때 나타나는 여러 현상들에 따라 다른데, 표준모형에서 광자의 질량항을 관측할 수 없다는 결과를 바탕으로 하는 실험 한계는 10⁻¹⁸eV/c²보다 작아야 한다는 것이다. 양자장론에서는 U(1) 게이지 대칭성을 통해 광자를 기술하는데, 게이지 대칭성이 존재하기 위해서 광자의 질량은 정확히 0이어야 한다.

양자역학에 따르면, 파장이 λ 인 광자 하나의 운동량의 크기 p 는

p = h/λ

이다. 여기에서 h 는 플랑크상수이다. 광자가 이동하는 방향을 고려하여 운동량 벡터를 생각할 수도 있다. 이 광자 하나의 에너지는

E = hc/λ = hf

c 는 진공 중 빛의 속력이며, f 는 빛의 진동수이다. 이 양은 로런츠 네성분 벡터를 이룬다. 이들은 광자 하나의 물리량이기는 하지만, 이 물리량은 파동의 특성인 파장과 진동수를 통해 주어진다. 따라서 파동의 성질과 함께 상보적으로 이해해야 한다. 영의 실험이라고 부르는 이중 슬릿 실험을 통해, 광자 하나도 파동의 고유한 성질인 간섭현상을 일으킨다는 것을 알 수 있다.

광자는 스핀 1을 갖는다. 벡터양으로 기술이 되어 힘을 매개하는 벡터 보손 가운데 하나이다. 양자장론에서는 U(1)게이지 대칭성을 통해 전자기력을 기술한다. 따라서 전자기 전하를 띤 입자와 상호작용한다.

광자에너지

E = hν, ν = c/λ

h = 6.626 × 10⁻³⁴J ∙ s

c = 2.998 × 10⁸ m/s

빨간색의 광자에너지는 E = hc/λ

E = (6.626 × 10⁻³⁴J ∙ s)2.998 × 10⁸ m/s/700nm

E = (6.626 × 10⁻³⁴J ∙ s)2.998 × 10⁸ m/s/700 × 10⁻⁹m

E = 2.84 × 10⁻¹⁹J

아보가드로 상수는

NA = 6.022 × 10²³mol⁻¹

이다. 따라서 단위물질량당 광자에너지는

Em = (2.84 × 10⁻¹⁹J)(6.022 × 10²³mol⁻¹)

Em = 1.71 × 10⁵J/mol

Em = 171KJ/mol

참고자료

• 〈광자〉, 《위키백과》
• 〈광자〉, 《물리학백과》

같이 보기

• 빛
• 빛에너지
• 플랑크 상수

이 광자 문서는 에너지에 관한 글로서 검토가 필요합니다. 위키 문서는 누구든지 자유롭게 편집할 수 있습니다. [편집]을 눌러 문서 내용을 검토·수정해 주세요.

산업 : 산업, 산업혁명, 기술, 제조, 기계, 전자제품, 건설, 유통, 서비스, 에너지 □■⊕, 소재, 원소, 환경, 직업, 금융, 금융사 에너지 SMR • 가속운동 • 가시광선 • 가열 • 각속도 • 감마선 • 감속운동 • 강력 • 고압 • 고온 • 고전역학 • 관성력 • 관성모멘트 • 광선 • 광속 • 광전자 • 광전효과 • 광합성 • 기압 • 냉각 • 냉방 • 뉴턴 • 대류 • 대체에너지 • 동력 • 동력원 • 라디오파 • 마이크로파 • 마찰 • 마찰계수 • 마찰력 • 마찰에너지 • 만유인력 • 만유인력의 법칙 • 무중력 • 물리에너지 • 바이오에너지 • 발열 • 발화 • 방사선 • 방열 • 베타선 • 복사 • 복사선 • 복사에너지 • 부력 • 불 • 블루에너지 • 빛 • 빛에너지 • 삼투압 • 생물에너지 • 석유에너지 • 석탄에너지 • 섭씨 • 소리에너지 • 소수력 • 속력 • 수력 • 수력에너지 • 수소에너지 • 수압 • 수열 • 수열에너지 • 수직항력 • 신생에너지 • 신에너지 • 신재생 • 신재생에너지 • 알짜힘(합력) • 알파선 • 압력 • 압축응력 • 약력 • 양극선 • 양자역학 • 에너지 • 에너지밀도 • 에너지보존법칙 • 에너지원 • 에너지 효율 • 엑스선 • 엔트로피 • 역반응 • 역파장 • 역학적 에너지(기계에너지) • 열 • 열대류 • 열량 • 열복사 • 열분해 • 열에너지 • 열역학 • 열전도 • 열전도도 • 열전도율 • 열팽창 • 열팽창계수 • 열효율 • 온도 • 왕복에너지 • 왕복운동 • 운동에너지 • 원운동 • 원자력 • 원자력에너지 • 위치에너지 • 음극선 • 응력 • 인공태양 • 인장응력 • 인화 • 입자선 • 자외선 • 자유낙하 • 작용 • 재가열 • 재생에너지 • 저온 • 저압 • 적외선 • 전기에너지 • 전도 • 전자기력 • 절대온도 • 정반응 • 정지에너지 • 조력 • 조력에너지 • 조류에너지 • 줄 • 줄의 법칙 • 중력 • 중력에너지 • 지열 • 지열에너지 • 직사광선 • 직선운동 • 진동 • 진동에너지 • 진자 • 진자운동 • 천연에너지 • 청정에너지 • 친환경에너지 • 칼로리 • 탄성 • 탄성에너지 • 태양 • 태양광 • 태양광에너지 • 태양에너지 • 태양열 • 태양열에너지 • 텐서 • 파동 • 파력 • 파력에너지 • 파워 • 파장 • 폐기물에너지 • 폭발 • 풍력 • 풍력에너지 • 풍압 • 항력(드래그포스) • 해양에너지 • 핵반응 • 핵분열 • 핵분열에너지 • 핵붕괴 • 핵에너지 • 핵융합 • 핵융합에너지 • 화력 • 화씨 • 화학 • 화학에너지 • 회전 • 회전수 • 회전에너지 • 회전운동 • 흡열 • 힘 발전 교류발전기 • 마이크로 수력발전 • 물레방아 • 박테리아 발전소 • 발전 • 발전기 • 발전소 • 변전소 • 비상발전기 • 소수력발전 • 소수력발전소 • 소형모듈원전(SMR) • 송전선 • 송전탑 • 수력발전 • 수력발전소 • 원자력발전 • 원자력발전소 • 조력발전 • 조력발전소 • 조류발전 • 조류발전소 • 지열난방 • 지열발전 • 지열발전소 • 직류발전기 • 태양광발전 • 태양광발전소 • 태양광패널 • 태양열발전 • 태양열발전소 • 파력발전 • 파력발전소 • 풍력발전 • 풍력발전소 • 풍차 • 해양 온도차 발전 • 핵융합발전 • 핵융합발전소 • 화력발전 • 화력발전소 • 회전축 전기 110V • 220V • 3상 • kW • kWh • 감전 • 고전압 • 과부하 • 과전류 • 과전압 • 과충전 • 광자 • 교류(AC) • 극 • 기전력 • 나침반 • 누전 • 다이노드 • 다이오드 • 단락 • 단상 • 단자 • 단전 • 도선 • 도전율 • 도통 • 레독스 • 마찰전기 • 맥스웰 방정식 • 방전 • 배전 • 번개 • 변압 • 변압기 • 병렬 • 복합전극 • 볼트(V) • 부하 • 분산전원 • 비상전원 • 비저항 • 산화 • 산화반응 • 산화수 • 산화환원 • 산화환원반응 • 상용전원 • 소자 • 송전 • 스파크 • 암페어(A) • 애노드 • 양 • 양공 • 양극 • 양극단자 • 양극도선 • 양성자 • 양이온 • 양전기 • 양전자 • 양전하 • 영구자석 • 예비전원 • 옴(Ω) • 옴의 법칙 • 와트(W) • 와트시(Wh) • 원자 • 원자량 • 원자핵 • 웨버 • 유전상수 • 유전율 • 유전체 • 음 • 음극 • 음극단자 • 음극도선 • 음양 • 음이온 • 음전기 • 음전하 • 이온 • 이온전도 • 이온전도도 • 이온화 • 인력 • 자기 • 자기력 • 자기장 • 자석 • 자성 • 자속 • 자유전자 • 저전압 • 저항 • 저항기 • 전구 • 전극 • 전기 • 전기공학 • 전기력 • 전기분해 • 전기장 • 전기장치 • 전기저항 • 전기전도 • 전기전도도 • 전기회로 • 전도성 • 전도율 • 전도체 • 전동 • 전동화 • 전력 • 전력밀도 • 전류 • 전비 • 전선 • 전압 • 전원 • 전위 • 전위차 • 전자 • 전자계 • 전자기 • 전자기력 • 전자기장 • 전자기파 • 전자기학 • 전자석 • 전자파 • 전자회로 • 전하 • 전하량 • 절연 • 절전 • 점전하 • 정격전류 • 정격전압 • 정격출력 • 정전 • 정전기 • 주파수 • 중성미자 • 중성자 • 직렬 • 직류(DC) • 척력 • 초전도 • 초전도자석 • 초전도체 • 축전 • 출력 • 충방전 • 충전 • 캐소드 • 쿨롱 • 쿨롱의 법칙 • 킬로와트(kW) • 킬로와트시(kWh) • 탈이온화 • 터미널 • 테슬라 • 특고압 • 패러데이 법칙 • 하전 • 핵 • 핵력 • 핵자 • 헤르츠(㎐) • 환원 • 환원반응 연료 CNG • LNG • LPG • 가스 • 가스충전소 • 가연성 • 갈탄 • 개질수소 • 경유(디젤) • 경질유 • 고급휘발유 • 고압가스 • 고체연료 • 그레이수소 • 그린수소 • 기체연료 • 나무 • 난방연료 • 두바이유 • 등유 • 땔감 • 면세유 • 무연탄 • 무연휘발유 • 바이오 • 바이오가스 • 바이오디젤 • 바이오매스 • 바이오에탄올 • 바이오연료 • 방사성물질 • 배기가스 • 배출가스 • 번개탄 • 부생수소 • 분별증류 • 뷰테인(부탄) • 브라운수소 • 브렌트유 • 블루수소 • 석유 • 석유화학 • 석탄 • 셰일가스 • 셰일오일 • 수소 • 수소연료 • 수소전기 • 순도 • 숯(목탄) • 압축가스 • 액체연료 • 액화가스 • 연료 • 연료첨가제 • 연비 • 연소 • 연탄 • 오일샌드 • 오일셰일 • 옥탄가 • 용해가스 • 원유 • 유사경유 • 유연탄 • 유연휘발유 • 윤활유 • 일반휘발유 • 장작 • 점화 • 정유 • 정제 • 조개탄 • 주입 • 중유 • 중질유(中質油) • 중질유(重質油) • 증류 • 질소산화물 • 천연가스 • 천연자원 • 친환경연료 • 코크스 • 타르 • 텍사스유 • 프로페인(프로판) • 합성경유 • 핵연료 • 혼유 • 혼합가스 • 혼합기체 • 혼합연료 • 화석연료 • 화재 • 휘발유(가솔린) 위키 : 자동차, 교통, 지역, 산업, 기업, 단체, 업무, 쇼핑, 블록체인, 암호화폐, 인공지능, 개발, 인물, 행사, 일반