콤프턴 효과(Compton Effect), 드 브로이 물질파(DeBroglie Matter Wave) + Davisson-Gemer의 DeBroglie Wave 확인 실험

 

 

 

 

『 앞서, 광전효과(Photoelectron Effect) 에서 아이슈타인은 빛의 입자성을 가정했다

이 가정은 콤프턴(Compton)에 의해 증명되었다 』

 

 

 

 

 

▶ 콤프턴 효과(Compton Effect)

 

전자(Electron) 에 X선을 쏘았을 때 전자가 튀어나오는 현상

산란(Scattering) 된 X선의 파장이, 입사된 X선의 파장보다 길어지는 현상 이다

 

 

 

  ▷ 콤프턴 산란(Compton Scattering)

 

  X선, 감마선의 파장(Wave) 을 가진 광자(Photon)가 전자(Electron)와의 상호작용을 통해

  에너지를 잃는 비탄성 산란 과정 이다

 

  이 콤프턴 산란 실험은 빛이 파동과 입자 두개의 성질을 갖는다는

  파동-입자 이중성(wave-particle duality) 을 따른다는 사실을 보여준다

 

 

 

 

 

▶ 콤프턴 효과(Compton Effect) 실험

 

전자(Electron) 에 X 선을 쏘아 충돌전과 충돌후를 알아본다

 

  ▷ 충돌 전

  

  파장(Wave)을 가지고 있는 입자로 구성된 Photon을 전자(Electron)에 쏜다

  ( E=hv 란 Energy을 가지고 있는 X선 )

 

 

 

  ▷ 충돌 후

 

  입사된 X선은 충돌 후 산란되어, 에너지를 잃고 파장은 길어지고, 주파수는 줄어들어

  낮은 에너지가 되게 된다, 충돌 후 전자(Electron)는 1/2 [mv^2] 란 에너지를 갖는다

 

< 콤프턴 효과 실험 >

  

 

  ▷ 실험 결과

 

  파장(Wave)이 길어졋다는 의미는, 입사된 X선의 에너지보다 에너지가 준것을 의미한다

  빛이 파동만의 성질을 갖고 있다면, 원래의 파장에서 산란된 파장에는 아무런 변화가 없어야 한다

 

  하지만 충돌후 더 긴 파장이 나옴으로 빛이 입자라는 것을 확인 햇고, 빛은 입자

  라는 특성을 명확하게 설명할 수 있었다.

 

  충돌이 일어나기전의 에너지 ( E=hv) 와

  충돌한 후 에너지의 값은 같아야 한다 ( E1 = hv1 + 1/2 [mv^2] )

 

 

 

 

 

 

▶ 데 브로이(De Broglie) 물질파(Matter Wave)

 

데 브로이(De Broglie)는 빛은 입자, 파동성의 이중성(Duality) 으로

모든 물질은 입자(Particle)와 파동(Wave)의 이중성을 가진다고 생각하였다

 

 

 

  ▷ 빛과 파동(Wave)의 관계

 

  고전 물리학에서 파동은 v - f λ 로 표현한다  [ 파동 = 진동수 x 파장 ]

  이것을 빛에 적용 시키면 c = v λ 로 표현이 가능하다  [  빛 = 진동수 x 파장  ]

  ( 빛은 파동(Wave) 이기 떄문,  )   [ 파동 = 빛  ]

 

  E = h v 인 식에, v = c / λ 대입  →  E = h × c/λ = mc^2  ( c 소거 )

  h/λ = mc 인 식에 광이 만약 입자라면 속력을 갖고 있지 않을까 생각하여

  ( c → v [velocity] ) 대입

  h/λ = mv = p

 

  질량이 m 인 물질이 속도 v 로 움직이면 어떤 파장λ 을

  갖고 있을 것이라 생각 

  ( p = mv, 전자를 입자로 볼 때의 운동량이 크기이다 )

 

  파장(λ) 은 입자의 운동량(p)에 반비례 하고, 진동수(v)는 입자의 운동에너지(E)에 비례

  한다는 양자역학적 물질의 파동 을 말한다

 

  이것이, 움직이는 입자는 고유한 파장(λ) 을 가진다는

  데브로이 물질파(De Broglie Matter Wave) 이다

 

 

 

 

 

▶ 데이비슨-거머 실험(Davisson-Gemer Experiment)

 

전자의 파동성(Wave)을 나타내는 실험이다

니켈 결정에 전자빔을 쏘아, 전자 파동에 회절에 대해 말한다

 

  ▷ 실험

 

  전자가 1/2 [mv^2] 을 가지고서 입사하면, 니켈에서부터 전자가 반사되어

  나가는데 이 전자의 양을 측정

  일정한 각도를 가지고 반사되어 나갓다는 것은 회절을 가진다는 얘기이고

  De Broglie 파의 존재를 알린다

 

  입사각과 산란각은 Bragg 면에 의해 65' 의 각을 가지며 간격은 0.91 [ Å ] 이다

  전자 검출기를 알맞은 각도에 위치하고, 그 각도에서 산란된 전자의 수를 측정하는데

  드브로이(De Broglie) 관계에 의하면

 

  54[eV] 의 빔은 0.165 [nm] 의 파장을 갖는다 한다

  이로써, 전자는 파장 이라는 것을 증명하였다