성용길 한국노벨과학문화연구원 원장
‘광전효과의 법칙’을 발견한 공로로 노벨물리학상(1921년)을 받은 이론물리학자인 알베르트 아인슈타인은 독일 우름에서 1879년 3월 14일 출생해서 1955년 4월 18일 미국 뉴저지 프린스톤에서 작고하였다. 아인슈타인은 그의 아버지가 전기공학 회사를 설립한 뮌헨에서 자랐다.
취리히에 있는 ETH 대학에서 공부한 후, 아인슈타인은 베른에 있는 특허청에서 일하면서 물리학 분야에서 몇 가지 선구적인 작품을 저술했다. 그는 나중에 베른, 취리히, 프라하의 대학에서 일했고 1914년부터는 베를린에서 일했다. 나치가 독일에서 권력을 장악한 후 아인슈타인은 미국으로 이주하여 뉴저지주 프린스턴에 있는 고등연구소에서 일했다. 아인슈타인은 두 번 결혼했고, 첫 번째 결혼에서 세 자녀를 두었다.
금속 전극이 빛에 노출되면 전극 사이에서 전기 스파크가 더 쉽게 발생한다. 그런데 이 광전효과가 일어나려면 광파가 일정한 주파수 이상이어야 한다. 물리학 이론에 따르면 빛의 강도는 매우 중요하다.
1905년에 시작된 여러 획기적인 연구 중 하나에서 아인슈타인은 빛이 특정 주파수에 해당하는 고정 에너지를 가진 패킷인 양자로 구성되어 있다고 설명했다. 그러한 빛 양자 중 하나인 광자는 전자를 방출하기 전에 특정 최소 주파수를 가져야 한다고 했다. 아인슈타인은 상대성 이론으로 유명해 졌는데, 사실은 노벨물리학상은 광전효과로 받았다.
광전효과(Photoelectric Effect)란?
이 광전효과는 당시 빛에 대한 기존 개념으로는 설명할 수 없는 것이었다. 오래전부터 빛의 본성에 대한 논의와 연구가 꾸준히 논의되어 왔으나 파동설과 입자설이 서로 상충되었다. 근대에는 빛이 슬릿을 통과하여 보이는 회절-간섭무늬 패턴이 빛이 파동이라는 확실한 증거로 나타남으로써, 빛은 파동이라는 것이 정설로 자리 잡게 되었다.
그러나 아인슈타인은 광전효과의 실험데이터를 기존의 빛에 대한 이론으로는 설명할 수 없다는 것을 깨달았다. 그는 이 개념을 설명하기 위해 광양자(photon)라는 개념을 도입한다. 광양자 가설은 빛의 에너지가 양자로 이루어져 있다고 주장한 것으로, 현재는 광자라고 명명된다.
이것은 이후 양자역학을 이뤄내는 데 큰 역할을 했다. 정확히 말하자면, 플랑크의 양자가설을 바탕으로 해, 빛에는 일정한 에너지 단위, 양자화 된 무언가가 있는데, 그것이 빛에게 입자 성질을 가지게 된다고 했다.
에너지, E=nhν 여기서 n는 정수, h는 Planck 상수, ν는 주파수이다. 양자화 된 그 무엇인가를 그는 '광양자'라고 불렀으며 빛은 광양자들의 모임이라고 보았던 것이다. 이 아이디어를 제안한 아인슈타인은 광전효과의 발견으로 노벨물리학상(1921년)을 수상했다. 이는 빛이 파동이라고 생각했던 기존의 학설을 반박함과 동시에, 이 가설에 사용되었던 플랑크 양자 가설을 더 굳건하게 하였다.
빛이 가지고 있는 이중성을 거의 못 박은 셈이다. 당시 이 이론은 많은 물리학자들에게 새로운 아이디어를 제공했다. 대표적으로 드브로이가 있는데, 그는 빛이 가진 파동과 입자의 "이중성"에 자극받아 "혹시 우리가 입자라고 생각했던 전자가 파동이 아닐까?"라는 것을 느끼고 나온 것이 물질파다.
또 슈뢰딩거 역시 그의 물질파 개념에 영향을 받아 전자를 파동함수로 기술하는 슈뢰딩거 방정식을 제안하게 된다. 플랑크의 흑체복사 이론과 함께 양자역학 태동의 도화선으로 작용한 셈. 흔히 상대성 이론만을 알고 있는 일반 대중에게는 익숙하지 않지만, 물리학이나 전자공학 등에 조금 알기 시작하면 정말로 중요한 개념임을 알 수 있다.
양자역학뿐 아니라 LCD, LED 등 디스플레이 소재 등의 발광소자 등의 기본 원리이며, 이미 20세기 초반에 현대 물리의 가장 중요한 개념인 기본 입자중 하나인 광자라는 입자를 규명했다는 것이 대단히 중요하다. 다음 호 계속
성용길
한국노벨과학문화연구원 원장
동국대학교 이과대학장, 명예교수
미국 유타대학교 이·공학박사(Ph.D)