빛의 양자화






이 시뮬레이션은 촛불에서 방출되는 에너지가 모두 특정 파장의 빛으로 방출되었을 때의 상황을 가정한 것입니다.
촛불의 일률(power)은 50W로 가정하였습니다.
방출되는 광파 그림은 이해를 돕기 위한 것으로 실제의 파장과 광자의 개수를 나타낸 것이 아닙니다.

촛불에서 x선이 방출되지 않는 이유는 무엇일까요?

빛이 방출되기 위해서는 에너지가 필요합니다.
예를 들어, 높은 에너지를 가진 x선은 하나의 광자를 방출하기 위해서도 꽤 많은 에너지를 필요로 합니다. 따라서 높은 에너지를 가지는 빛은 낮은 에너지를 가지는 빛보다 생성되기에 불리한 조건에 놓이게 되고, 외부로 방출될 확률도 낮습니다.

모든 방출되는 빛(광자, photon)은 정수값으로 개수를 셀 수 있습니다. 즉 빛은 0.5개, 1.3개와 같이 소수점으로 존재하지 않습니다.
빛의 진동수 ν에서 전자기복사의 에너지는 hν의 정수배 값을 가집니다. 여기서 h는 플랑크 상수로 알려진 자연의 기본 상수입니다.(h = 6.63×10-34J·s)

빛의 에너지가 hν의 정수배 값을 가진다는 것은 막스 플랑크(Max Planck; 1858-1947)가 1900년에 알아 냈습니다. 그는 이 공로로 노벨상을 수상함과 동시에, 양자역학의 시대를 열었습니다. 플랑크 상수 h도 그의 이름을 본따서 만든 것입니다.
나중에 아인슈타인은 에너지 뿐만 아니라 빛(광자) 자체가 띄엄띄엄한 알갱이임을 알아내었습니다. 아인슈타인도 마찬가지로 이 공로로 노벨상을 탔습니다.

촛불에서는 1초당 몇 개 정도의 광자가 방출될까요?

촛불 한개의 일률은 대략 35~80W입니다. 여기서는 50W라고 가정하겠습니다. 즉 1초당 50J의 에너지가 빛으로 방출됩니다.
방출되는 빛의 파장 λ의 길이를 가시광선 정도인 600nm(=600 x 10-9m)라고 하면, 광자 하나의 에너지는,

이 됩니다. 여기서, c는 빛의 속도입니다.
1초 동안 촛불이 방출하는 에너지를 광자 하나의 에너지로 나누면 1초 동안 춧불에서 방출되는 광자의 개수를 구할 수 있습니다.