이중슬릿실험의 개념, 과학적의미, 영과 전자의 이중슬릿실험

이중슬릿실험의 개념

 양자역학에서 중요한 개념 중 하나인 이중슬릿실험이란 양자역학에서 실험체의 파동과 입자를 구분하는 실험을 일컫는다. 실험체를 이중슬릿 장치에 투과시키면 그 결과가 파동인지 입자인지에 따라 결과가 분명히 달라진다. 파동은 회절 및 간섭의 성질을 가지고 있다. 따라서 파동이 이중슬릿을 지나게 되면 회절과 간섭이 나타나게 되며 뒤쪽 스크린에는 간섭의 무늬가 나타나게 된다. 하지만 입자는 이러한 특성이 없기 때문에 간섭무늬가 나타나지 않는다. 이렇듯 상이한 결과 값의 차이를 통해 실험 물질이 입자인지 파동인지를 구분하게 된다.

과학적 의미

 이중슬릿 실험이 전 세계에서 최초로 시작된 것은 19세기 초 토마스영이 광자를 대상으로 했던 이중슬릿 실험이었다. 17세기에 뉴턴이 빛 입자를 주장하였으며 오랜 기간 동안 정설로써 여겨져 왔지만, 이 실험을 통해 간섭이 확인되어 반증되기 시작했다. 이 실험 결과는 당시 뉴턴역학에 엄청난 영향을 주었으며 에테르이론에 기반을 둔 빛의 파동이론을 촉발하는 사건이 되었다. 아인슈타인의 상대성이론이 발표된 난 후 1927년도 클린턴데이비슨과 레스터 조머가 전자를 대상으로 이중슬릿 실험을 진행하였으며 입자성과 파동성이 동시 나타날 수 있다는 것을 증명하였다. 그 결과 당시 입자와 파동이 서로 반대 성질로 규정하였으며 양립이 불가능한 물리학계의 상식을 뒤흔들었다. 이것은 설명할 수 있는 새로운 관념과 물리학적 해석이 불가피하했으며 그것은 양자론의 탄생으로 결실을 맺게 된다. 이 역사적 사실들을 통해 이중슬릿 실험이 갖는 중대한 과학적 의미를 확인할 수 있다.

영과 전자의 이중슬릿실험

 1801년 과학자 토마스영은 광자의 이중슬릿실험을 통해서 간섭되는 현상을 입증하게 됐다. 이 실험의 방식은 단색광을 단일슬릿에 입사시켜 이중슬릿을 투과하여 스크린에 나타나는 현상을 지켜보는 것이다. 이때 빛이 입자라면 일정 무늬가 나타나야 한다. 그러나 실험결과 파동처럼 간섭무늬가 나타났으며 이것은 빛이 파동성을 가진 것을 말한다. 또한 빛의 간섭성을 확인함으로써 빛의 파장을 최초로 구할 수 있었다. 최초 스크린 위의 임의의 점을 잡는다. 이때 경로차가 곧 위상차가 됨으로 파장의 정수배로 경로차를 유지하게 되면 보강간섭을 일으키게 된다. 두 슬릿의 중간점에서부터 연장선과 중심축사이 각을 정하고 중심축에서 거리에서 보강간섭을 일으킬 때 경로차가 성립한다. 따라서 빛의 파장을 구해낸다. 1927년 클린턴데이빗슨과 레스턴 저미는 니켈결정을 향해 전자빔을 투과하는 실험을 진행했다. 실험 방식은 이중슬릿 실험과 같다. 하지만 단색광 대신 전자빔을 쪼이는 데에 차이가 난다. 당시의 전자는 입자로 인식했기 때문에 무늬가 나타날 것이라고 예상했다. 하지만 실험결과 그림과 같이 파동 간섭무늬가 생성된다, 이 실험결과 뉴턴역학과 전자기학으로 설명할 수 없는 부분이었으며 훗날 보어의 양자론의 탄생으로 이것이 해결된다.

과학적탐구