1923년 콤프턴은 X-선을 이용하여 물체에 의해 산란되는 복사선을 연구하였는데, 실험도중 파라핀 조각에 의해 산란된 X-선의 파장이 입사광의 파장보다 길어진다는 사실을 발견하였다.
이러한 현상을 콤프턴 효과라고 한다.
고전 전자기 이론에 의하면 전자기파가 어떤 표적과 충돌할 때 파장이나 진동수는 변하지 않는다.
따라서 전자기 이론으로 콤프턴 효과를 설명할 수 없다.
이같은 현상을 설명하기 위하여 콤프턴은 아인슈타인의 광양자설을 도입하여 입사한 X-선의 광자가 입자처럼 금속내의 전자와 충돌하여 에너지와 운동량의 일부를 전자에게 잃어 버리고 에너지가 작아지므로 진동수가 작아지고, 파장이 길어진 X-선이 산란된 것이라고 설명하였다.
오른쪽 그림은 광자와 전자의 충돌을 나타낸 것이다.
아인슈타인은 광양자의 에너지 E와 운동량 p사이의 관계를
라고 하였다.
그러므로 광양자의 에너지는
의 관계가 있고, 빛의 파장을
라 하면,
이므로 광양자의 운동량은 다음과 같이 표현될 수 있다.
에너지는
가 된다.
따라서 전자가 얻은 운동 에너지는 입사 광자와 산란 광자의 에너지 차이가 되고, 입사 광자와 산란 광자의 운동량 차이는 전자가 얻은 운동량이 될 것이다.
수식으로 나타내면 다음과 같다.
운동량의 수직.수평 성분은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
--수평성분
--수직성분이제 위에서 나온 3개의 결론식을 살펴보자.
- 위 식들에서 나온 5개의 변수
중
를 소거하여 계산하면 다음과 같다.
이 식은 앞에서 산란된 두 파장의 관계가 입사한 빛의 초기 파장
과는 무관하며 산란되는 각
에의해서 결정된다는 것을 나타낸 것이다.
이 식으로 계산한 전자의 운동 에너지는 실험에서 얻은 결과와 일치하므로 파동의 성질만 가지고 있는 것으로 알려진 X-선이나 빛이 운동량을 가지고 있음을 보임으로써 빛이 입자성을 갖는다는 것을 다시 한번 확인시킨 것이다.
빛은 광전 효과와 같은 입자의 성질을 가지고 있는 반면, 간섭과 회절이라는 파동적인 성질도 가지고 있다.
그러므로 빛은 입자적인 면과 파동적인 면을 동시에 가지고 있다고 말할 수 있고, 이를 빛의 이중성이라고 한다.
빛은 전자나 원자와 같은 입자들과 충돌을 하는 경우나, 진동수가 클 때에는 입자성이 잘 나타난다.
진동수가 큰 X-선 등은 같은 광자는 입자로서의 성질이 잘 관찰된다.
정 리
- 1. 콤프턴 효과--실험도중 파라핀 조각에 의해 산란된 X-선의 파장이 입사광의 파장보다 길어진다는 현상
조그만 병 속에 들어있는 공기분자들의 양이 얼마나 될까? 또는 옆의 그림처럼 유리잔 속에 들어 있는 음료수 분자들의 양은 얼마나 될까? 이런 양을 나타내는 방법에는 여러 가지가 있을 수 있는데, 그 중에서 분자들의 갯수를 이용해 양을 나타내는 방법을 생각해 보자.
와 같은 형식의 지수로 표현해야 할만큼 큰 수가 될 것이다. 그래서
개를 한 보따리로 묶어 그 보따리 수가 몇 개인가로 나타낸다면 훨씬 편할 것이다. 이렇게
개의 보따리 하나를 1몰(mole)이라 한다. 그 속에 들어 있는 알갱이가 원자상태면 mole원자, 분자상태면 mole분자라고 한다. 쉽게 생각해서 몰수는 보따리수이다. 갯수를 기준으로
개의 반이면 0.5보따리(mole)이 된다.
