이중 슬릿 실험 과정 - ijung seullis silheom gwajeong

만약, 내가 종이에 나란한 두 줄의 무늬를 내고 싶다면 어떤 방법을 사용할 수 있을까? 자를 대고 나란하게 두 줄을 그을 수도 있겠지만, 두 줄의 구멍이 난 종이를 덮고 입자를 분사해도 구멍난 종이를 떼면 아래의 종이에는 똑같이 두 줄의 무늬가 나타날 것이다. 하지만, 우리가 분사한 것이 입자가 아니라 파동이라면? 혹은, 빛이라면? 그것도 아니면 아주 작은 입자인 전자라면? 이 보고서에서는 지금부터 그 결과에 대해 서술하려고 한다.

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●본론

-이중 슬릿 실험이란?

이중 슬릿 실험은 양자역학에서 실험 대상의 파동성과 입자성을 구분하는 실험으로, 실험 대상을 장치에 통과 시키면 그것이 파동이냐 입자이냐에 따라 결과 값이 달라진다. 실험 방법은 아주 간단한데, 먼저 검은 판에 아주 얇은 두께의 두 개의 긴 구멍을 낸다. (이것을 슬릿이라고 한다.) 그리고 두 개의 슬릿 사이로 실험 대상을 통과시키고 결과를 관찰하는 것이 전부이다.

-입자

입자, 가령 구슬같은 작은 물체를 슬릿으로 하나씩 방출한다면 어떨까? 답은 간단하다. 그림처럼 두 줄의 직선무늬가 생길 것이다. 이것은 슬릿이 하나이든, 두 개이든, 몇 개이든 변하지 않는다.

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-파동

파동이 하나의 슬릿을 통과하면, 파동은 슬릿을 중심으로하는 동심원 모양을 그리며 퍼져나간다. 그렇다면, 파동이 두 개의 슬릿을 통과한다면 어떨까? 파동은 물질입자는 절대 일으킬 수 없는 회절과 간섭이라는 성질을 가지고 있는데, 두 개의 슬릿을 통과하며 파동은 회절하고, 회절한 하나의 파동의 꼭대기가 또다른 파동의 바닥과 만나 서로의 진동을 약화시키는 상쇄 간섭이 일어나, 직선이 연속하여 나타나는 간섭무늬가 나타나게 된다.

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-빛

빛의 이중 슬릿 실험은 빛이 입자라고 믿고 있었던 당대의 과학자들에게 적잖은 충격을 안겨주었는데, 빛의 실험결과가 파동과 동일한 결과를 나타냈기 때문이다. 이것으로 빛은 파동이라고 정해지는 듯 했으나, 편광 현상의 발견으로 빛이 횡파,즉, 고체속에서만 전달될 수 있다는 것이 밝혀지며 당대의 물리학자들은 빈 공간에 들어차있는 고체, 즉 에테르가 있다는 가정을 하게 된다. 하지만 우리가 배웠듯이, 마이컬슨-몰리 실험에서 에테르는 없다는 사실이 밝혀지고 빛의 이중성이 대두되기 시작한다.

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-전자

전자는 아주 작은 크기지만 입자이다. 따라서 입자와 같은 결과를 나타내는 것이 논리적으로 올바르지만, 실제 과학자들이 실험한 결과는 완전히 달랐다. 슬릿 하나를 통과한 전자는 입자와 같은 결과, 즉 한줄의 무늬를 나타냈지만 두 개의 슬릿을 통과한 전자는 파동과 같이 간섭 무늬를 나타낸 것이다.

 

이에, 전자를 방출하는 도중 전자들끼리 서로 간섭을 했을거라는 결론은 내린 당대의 과학자들은 전자 입자를 하나씩 방출하였으나, 처음 몇 십분 정도는 입자와 같은 결과를 보이는 듯 했으나, 한 시간이 지나자 다시 간섭 무늬를 나타내기 시작 했던 것이다. 이에 의아해진 사람들이 전자가 어느 구멍으로 통과하는지 관찰하기위해 관측기를 설치하자 전방출된 전자는 마치 입자처럼 두 줄의 무늬를 나타냈다.

●결론

전자를 이용한 이중 슬릿 실험에 따르면, 전자는 파동의 성질 또한 가질 수 있다. 파동은 동시의 두 개의 슬릿을 통과하는 것이 가능한 것처럼 전자또한 두 개의 슬릿을 동시에 통과하는 것이 가능하다는 것이다. 이는 하나의 전자가 동시에 두 곳에 존재한다는 뜻을 포함하며, 확률적으로 위치할 수 있는 모든 곳에 동시에 존재한다는 것이다.

 

양자역학의 코펜하겐 해석에 따르면, 관측하기 전에는 여러 가지 상태가 중첩되어 존재하지만, 관측하는 순간 상태는 더 이상 확률이 아닌 특정한 한가지로 정해진다. 이것은 전자 슬릿 실험의 결과를 뒷받침하는데, 관측하지 않았을때는 파동의 형태를 띄던 전자가 관측을 함으로써 두 개의 슬릿 중 하나를 통과한다는 것이 확정되면서 입자의 형태를 띄게 되는 것이다. 이는 다른 물질들도 마찬가지로, 결국 모든 물질은 입자성과 파동성을 동시에 가지고 있다는 것이 입증되었다. 따라서, 조건만 맞는다면 고양이나 사람처럼 큰 물질도 간섭무늬를 나타낼 수 있는 것이다.

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이중 슬릿 실험

이중 슬릿 실험은 단일 파장의 빛이 두 개의 슬릿(틈새)을 지난 다음 만드는 패턴을 관찰하는 것입니다.
빛은 각각의 슬롯을 통과한 다음 간섭한 결과에 따라서 밝거나 어두운 패턴을 만들어 냅니다.
슬릿의 두께가 \(a\), 슬릿 사이의 간격이 \(b\)이고, 슬릿을 통과한 광선이 \(θ\) 각도로 회절하는 경우의 밝기 \(I\)는 다음의 식으로 구할 수 있습니다.

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가장 위의 그래프가 단일 슬릿의 회절 효과를 나타내고 있으며,
중간의 그래프가 이중 슬릿에 의한 간섭 효과입니다.
마지막의 그래프는 두 효과가 중첩되어 결과적으로 나타나는 패턴입니다.

그래프를 인터렉티브하게 보려면 아래 링크를 참고 바랍니다.
https://www.geogebra.org/m/ynwgtfk8

Comments ▼

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안녕하세요! 생각하는 공대생입니다.

이중 슬릿 실험 과정 - ijung seullis silheom gwajeong

오늘은 물질의 이중성을 확인하게 된 실험!

전자 이중슬릿 실험에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

오랜만에 포스팅을하게 되네요 ^^

이전 포스팅들에서 전자와 같이 매우 작은 입자는 물질과 파동의 성질을 동시에 갖는다는 것을 알게 되었습니다.

과학자들이 이와 같은 결론을 낸 이유는 

실험적으로 전자가 물질의 특성과 파동의 특성을 모두 갖는다는 것이 밝혀졌기 때문인데요

오늘 알아볼 전자의 이중슬릿 실험은 전자의 파동성을 증명한 실험입니다. 

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그림과 같이 물체를 발사하는 기계가 있고 반대편의 스크린까지 가는 길에는 두개의 슬릿(slit)이 뚫려 있는 장치가 있습니다.

만약 야구공과 같은 일상적인 물체를 발사하면 어떻게 될까요?

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당연히 막혀있는 부분에 야구공이 맞고 튕겨나가게 되고, 결국 슬릿이 뚫려 있는 부분에만 두 둘의 무늬가 나타나겠죠?

반대로 이번에는 파동을 봅시다.

파동에는 음파(소리) 물결파 등이 있습니다.

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이처럼 파동은 이중 슬릿을 통과하면서 회절(diffraction)하고 간섭(interference)을 하게 됩니다.

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같은 위상의 파동이 보강간섭을 한 곳에는 밝은 무늬가

반대 위상의 파동이 상쇄간섭을 한 곳에는 어두운 무늬가 나타나게 됩니다.

자 그런데 생각해 봅시다. 전자는 원래 물질이죠. 단지 매우매우매우 작을뿐입니다.

그렇다면 일단 물질이니까 전자를 똑같이 발사하면 야구공과 똑같이 두 줄이 나와야겠죠?

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엥? 이게 뭔가요? 

분명 작은 물질인 전자를 쐈는데 파동과 같은 간섭무늬가 나타났습니다!

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그래서 과학자들은 이번에는 전자를 1개씩 하나하나 쏴보기로 합니다.

왜냐면 전자들이 서로 충돌하거나 해서 간섭무늬가 나타난게 아닐까 생각한 것이죠

하.지.만

전자를 1개씩 따로따로 쐈음에도 불구하고 똑같은 간섭무늬가 나타난 것입니다!!

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결국 이로인해 전자같은 매우 작은 물질은 파동의 성질 또한 갖는다는 것이 다시한번 입증되었습니다.

파동은 동시에 두개의 슬릿을 통과하는 것이 가능하죠. 이는 전자도 마찬가지라는 것입니다.

하나의 전자가 두 개의 슬릿을 동시에 통과했다는 것은 물론 하나의 전자가 동시에 두 곳에 존재한다는 뜻을 포함하며

결론적으로 하나의 전자는 확률적으로 위치할 수 있는 모든 곳에 동시에 존재한다는 뜻입니다.

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이후 안톤 차일링거는 전자보다 훨씬 거대한 퓰러렌(C60)으로 실험을 하게 됩니다.

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보통의 원자 한개도 전자보다 훨~씬 거대한데, 무려 탄소원자 60개로 이루어진 분자니 조금은 일반적인 물질에 가깝지 않을까요?

그.런.데.

전자처럼 많은 간섭무늬가 나타나지는 않았지만

놀랍게도 퓰러렌 역시 간섭무늬를 나타냈습니다!!!

퓰러렌 같은 거대분자도 입자로 있다가 슬릿을 파동처럼 통과한다는 것이죠.

이때 중요한 조건이 있는데 발사된 물질이 도중에 어떤것과도 충돌하면 안된다는 것입니다.

물질이 다른 전자나 원자와 충동하게 되면 파동의 성질이 붕괴되고 다시 입자처럼 행동하게 되는 것입니다!!

아무튼!!!

안톤 차일링거는 고양이나 인간도 이런 조건만 갖춰진다면 간섭무늬가 나타날 수 있다 !! (ㄷㄷ) 라고 말합니다.

우리가 살고 있는 거시세계의 일반적인 물체는 원자수준에서는 너무나도 크기 때문에 

날아다는 도중 입자 하나와도 부딪히지 않기가 거의 불가능 하지만요. 

이를 결잃음 해석 또는 결잃음 이론 (decoherence theory)이라고 합니다.

차일링거는 이에 크기를 점점 키워 아메바와 같은 단세포 동물로도 간섭무늬를 만들기 위해 노력중이라고 합니다.

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심지어 2013 년에 이중 슬릿 실험은 무려 810개의 원자로 구성된 거대분자를 이용하여 성공적으로 수행되었다고 합니다. 

다음에 계속 

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