자연적으로 수소원자를 들뜨게 하는 요인
1. 자연적으로 수소 원자의 들뜬 상태를 유발하는 에너지원에 관해
어제 세미나 시간에 제기된 김재영 선생님의 질문이 머리에 남아 구글링을 해보다가, 일단 나사의 간단한 설명 글을 발견하고 가져와 봅니다.
When an electron temporarily occupies an energy state greater than its ground state, it is in an excited state. An electron can become excited if it is given extra energy, such as if it absorbs a photon, or packet of light, or collides with a nearby atom or particle.
https://imagine.gsfc.nasa.gov/educators/lessons/xray_spectra/background-atoms.html
2. 실험실의 조건 관련
5000볼트의 방전 조건하에서 수소 원자의 스펙트럼을 얻는다는 실험 얘기가 있어서 링크를 올려 봅니다.
When gaseous hydrogen in a glass tube is excited by a 5000-volt electrical discharge, four lines are observed in the visible part of the emission spec- trum: red at 656.3 nm, blue-green at 486.1 nm, blue violet at 434.1 nm and violet at 410.2 nm:
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맞습니다. 실험실에서도 고압방전을 이용하여 빛띠(스펙트럼)의 흡수선/방출선을 볼 수 있습니다. 그런데 자연광에서는 이미 1814년 무렵부터 이러한 흡수선이 발견되었습니다. 요제프 프라운호퍼(Joseph von Fraunhofer 1787-1826)가 뛰어난 유리세공 실력을 십분 발휘하여 빨주노초파남보 무지개 빛띠에서 미세한 흡수선들을 찾아냈습니다. 1913년 닐스 보어가 특별한 원자모형을 만들어낼 때까지 100년 동안 분광학(spectroscopy)이 아주 정교하게 발전했습니다. 분광학은 19세기 후반부터 천문학과 천체물리학에서 매우 중요한 역할을 했고, 20세기 우주론까지 이어지기까지 가장 핵심적인 관측기법이 되었습니다.
https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_spectroscopy
Joseph von Fraunhofer (The Encyclopedia Americana)
네. 감사해요. 전자가 자연적으로 들뜬 상태의 에너지를 얻는 이유를 구글 검색에 넣어보니 주로 다른 입자와의 충돌, 특히 광자와의 충돌을 많이들 얘기하는 것 같긴한데 그리 믿을만한 소스들이 아니라서 긴가민가 싶습니다. 광자와의 충돌로부터 얻는 에너지로는 불충분 할까요?
그렇지는 않습니다. 빛알(광자)의 흡수 또는 방출로 에너지 준위를 오고가는 것이 충분히 설명됩니다. 1913년에 닐스 보어가 발표한 원자모형에서는 프라운호퍼의 분광 흡수선을 바로 그렇게 설명합니다.
이 서술은 조심스럽게 읽을 필요가 있습니다. 논리적으로 바닥상태에 있던 전자가 빛알(광자)를 만나 들뜬 상태로 에너지 준위가 바뀌는 것이 아니라, 반대이기 때문입니다. 100년 동안 발전해 온 분광학 덕분에 위의 그림에서처럼 까맣게 빠져 있는 흡수선들이 정교하게 측정되었습니다. 그와 관련된 현상적인 공식들도 알려져 있었습니다. 닐스 보어는 니콜슨의 아이디어를 확장하여 원자에서 전자가 가질 수 있는 공전궤도가 띄엄띄엄 떨어져 있으며 그 공전궤도들을 도약할 때 에너지 차이만큼이 빛알의 흡수나 방출로 이어진다는 이론을 제시한 것이었습니다. 논리적으로 보면, 원자에서 전자가 들뜨게 되는 것이 빛알(광자)과 충돌하기 때문이 아니라, 아예 양자이론이 그렇게 되도록 구성되었기 때문입니다.
보어의 1913년 논문에 대한 간단한 소개가 "보어 원자 모형의 탄생 1913"에 있습니다.
그러나 보어의 모형에서는 언제 어떻게 빛알이 들어오거나 나오는지가 쏙 빠져 있습니다. 막스 보른, 베르너 하이젠베르크, 에르빈 슈뢰딩거 등이 1920년대 중반에 양자역학을 만들게 된 것은 바로 그러한 보어의 고전양자론이 가진 근본적 한계를 넘어서려던 것이었습니다. 그러나 양자역학에서도 결과적으로는 그러한 '양자도약'은 여전히 해결되지 않는 개념적 난점이었습니다.
양자역학의 맥락에서 '요동(fluctuation)'이라는 말은 쉽게 말해서 잘 모르겠다는 의미입니다. 마치 병원에서 의사가 '알러지'라고 진단하면, 그 말은 원인을 모른다는 뜻이라고 하는 것처럼, 물리학에서 '요동'은 정확히 잘 모르겠다는 의미라 할 수 있습니다.
제 질문은 그렇게 빛알(광자)이 갑자기 들어오거나 나가거나 하는 것을 '요동(fluctuation)'으로 보는 것이 일리야 프리고진의 비가역 열역학으로 설명될 수 있으며, 개념적으로는 에피쿠로스의 클리나멘의 개념적 후예가 아니겠는가 하는 것이었습니다.
제가 "[질문] 심학제5도와 결정론과 일리야 프리고진"에서 "프리고진이 내세우는 핵심 개념은 비가역과정에 대한 열역학적 연구에서 비롯한 스스로 짜임(자기조직화)와 흩어짐 구조(dissipative structure)입니다. 또 불안정계의 물리학으로부터 대칭성과 예측가능성을 주된 특징으로 하는 고전물리학과 달리 요동(fluctuation), 불안정(instability), 다중선택(multiple choices), 제한된 예측가능성(limited predictability)이 어디에나 있다고 말합니다."라고 적었는데, 프리고진의 '요동', '불안정', '다중선택', '제한된 예측가능성'은 새 자연철학에서 매우 중요한 핵심이라는 믿음을 여전히 견지하고 있습니다.
네. 이렇게 설명을 들으니 질문의 요지를 이제야 이해했습니다. 들뜨게 하는 energy sources 그 자체 보다는 더 근본적인 차원의 질문을 하고 계시는군요. 일리야 프리고진에 대해 쓰신 글은… 브라이언 그린의 최신작 ‘엔드오브타임’에서 베나르 세포와 함께 비형형 열역학에 대한 간단한 언급을 읽은 적이 있어서인지 더 반갑게 읽었습니다. ^^
루크레티우스가 데모크리토스와 에피쿠로스를 계승하는 유물론적 관념을 이어받았다는 이야기를 듣긴 했지만, 그의 시에서 그런 개념들이 구체적으로 담겨있다는 얘기가 무척이나 흥미롭습니다. ‘사물의 본성에 관하여’를 한 번 읽어볼까 하고 중고 책방에서 주문하려다 말고, 대신 장회익 선생님의 자연철학 책을 새 책으로 구입한 게 여기 합류하기 직전이었던지라, 루크레티우스와 묘하게 어긋난 인연이 되고 말았습니다만. ^^