광자

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.

목차

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 @@NAMATH_INLINE@@c@@NAMATH_INLINE@@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.

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 @@NAMATH_INLINE@@10^{-18} \mathrm{ eV/c^2}@@NAMATH_INLINE@@보다 작아야 한다는 것이다. ¹⁾이다. 양자장론에서는 U(1) 게이지 대칭성을 통해 광자를 기술하는데, 게이지 대칭성이 존재하기 위해서 광자의 질량은 정확히 0이어야 한다.

양자역학에 따르면, 파장이 @@NAMATH_INLINE@@\lambda@@NAMATH_INLINE@@인 광자 하나의 운동량의 크기 @@NAMATH_INLINE@@p@@NAMATH_INLINE@@는

@@NAMATH_DISPLAY@@p = h / \lambda @@NAMATH_DISPLAY@@이다. 여기에서 @@NAMATH_INLINE@@h@@NAMATH_INLINE@@는 플랑크상수이다. 광자가 이동하는 방향을 고려하여 운동량 벡터를 생각할 수도 있다. 이 광자 하나의 에너지는 @@NAMATH_DISPLAY@@E = h c / \lambda = h f @@NAMATH_DISPLAY@@@@NAMATH_INLINE@@c@@NAMATH_INLINE@@는 진공 중 빛의 속력이며, @@NAMATH_INLINE@@f@@NAMATH_INLINE@@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.

1. Amsler, C; Doser, M; Antonelli, M; Asner, D; Babu, K; Baer, H; Band, H; Barnett, R et al. (2008). 'Review of Particle Physics⁎'. Physics Letters B 667: 1.