[양자역학] 제만효과

수소가 뜨겁게 달아오르면 스펙트럼선을 방출한다. 이 스펙트럼선은 전자가 양자도약을 일으킬 때, 즉 높은 에너지 준위에서 낮은 준위로 뛰어내리며 냉각될 때 나타난다. 수소 스펙트럼의 각각의 선들은 전자의 도약이 일어난 두 에너지 준위의 에너지 차 이가 그와 일치하는 진동수의 빛으로 변환된 것이다. 전자가 두 번째 준위에서 첫 번째 준위로 떨어질 때 방출되는 빛의 파장은 121나노미터(nm: 10만분의 1미터)이며 스펙트럼의 자외선 영역에 속한다. 전자가 세 번째 준위에서 첫 번째로 뛰어내릴 때의 파장은 103나노미터로, 에너지가 더 크고 파장이 더 짧다. 네 번째 준위에서 첫 번째 준위로 떨어질 때의 빛은 97나노미터이다. 전자껍질은 에너지 준위가 올라갈수록 간격이 더 좁 아지기 때문에 에너지의 차이 역시 줄어든다. 따라서 특정 껍질로 낙하하며 섬기는 스펙트럼선들은 파란색 쪽으로 갈수록 촘촘 히 모이는 경향이 있다. 전자가 특정 준위로 떨어져 발생하는 스펙트럼선들을 계열series이라고 한다. 전 우주에서 가장 단순하고 가장 흔한 원자인 수 소의 경우, 주요한 계열의 이름은 과학자의 이름을 붙였다. 첫 번째 껍질로 이동하는 계열은 라이먼 계열이라고 하며, 1906년에 서 1914년 사이에 이 계열을 발견한 과학자 시어도어 라이먼의 이름에서 따왔다. 첫 번째 스펙트럼선은 2번 준위에서 1번 준위로) 라이먼 알파, 두 번째는 3번 준위에서 1번 준위로 라이먼 베타 하는 식으로 명명한다. 두 번째 준위로 낙하하며 생기는 스펙트럼선들은 발머 계열이다. 1885년 이 계열의 존재를 예측한 요한 발머의 이름을 붙인 것이다. 발머 계열의 선들 대부분은 가시광선 영역에 속한다. 그 다음 세 번째 에너지 준위로의 낙하로 인한 스펙트럼선들은 파 션 계열이라고 한다. 프리드리히 파셴은 1908년 이 계열을 최초로 관측했다. 파션 계열은 적외선 영역에 속한다. 이후 연구를 통해 이러한 스펙트럼선이 순수한 하나의 선이 아니라 더 세밀한 내부 구조가 있다는 사실이 밝혀졌다. 수소의 스 펙트럼선을 고해상도로 관찰하면 한 가닥이 아니라 두 줄이 아주 가깝게 붙어 있는 것이 보인다. 스펙트럼선을 만들어내는 전자 의 에너지 준위는 여러 개로 갈라져 있었다. 1922년, 오토 슈테른과 발터 게를라흐는 뜨거운 오븐 안에서 기화된 은 원자 빔을 자기장을 향해 쏘는 유명한 실험을 수행했 다. 슈테른과 게를라흐가 은을 선택한 이유는 사진유제로 검출할 수 있다는 장점도 있었지만 은의 바깥껍질전자가 하나이기 때 문이었다. 그들의 실험 목표는 전자의 자기적 특성을 관찰하는 것이었다. 은의 전자는 자기장을 통과하면서 마치 작은 막대자석처럼 행동하고, 외부 자기장의 기울기에 비례하는 힘을 받는다. 슈테른 과 게를라흐는 이 힘의 방향이 무작위라서 검출판에 넓은 1개의 흔적만 남길 것이라 예상했다. 그러나 예상과 달리 은 빔은 둘로 갈라져서 2개의 자국을 남겼다. 이 결과는 전자 자석의 방향이 두 방향으로 정해져 있음을 암시하는 것이다. 이는 매우 이상한 일이었다. 그런데 전자는 왜 자기장을 띠는 것일까? 1925년 사무엘 호우트스미트와 조지 윌렌베크는 전자가 마치 팽이처럼 회전하는 대 전된 공과 같다고 제안했다. 이러한 특성을 전자스핀electron spin 이라고 부른다. 움직이는 전하는 전자기 법칙에 따라 자기장을 형성한다. 슈테른 게를라흐의 실험에서 은 원자 빔이 두 갈래로 나뉘어진 이유는 전자의 회전 방향이 두 방향이기 때문이었다. 이 두 방향을 위up와 아래down라고 부른다. 전자의 두 회전 방향으로 스펙트럼선에서 미세하게 분리된 선들도 설명할 수 있다. 같은 궤도 안에서 한쪽 방향으로 회전하는 전자와 반대 방향으로 회전하는 전자 사이에 미세한 에너지 차이가 있는 것이다. 양자 스핀은 진짜 운동은 아니고 입자의 고유한 특성이다. 스핀이 위인지 아래인지를 설명하기 위해 물리학자들은 전자와 그 밖의 입자들에 스핀 양자수를 부여한다. 전자의 스핀 양자수는 (+91/2의 값을 갖도록 정의된다. 원자의 안팎으로 여러 전자기 현상이 존재한다. 자전하는 전자와 대전된 입자, 그리고 전자의 자체 전하와 핵의 전하, 외부 자 기장 같은 여러 현상 사이에서 다양한 상호작용이 일어날 수 있다. 따라서 스펙트럼선은 수많은 복잡한 방식으로 갈라지게 된다. 전자가 자기장 안에 놓여 있을 때 스펙트럼선이 갈라지는 효과를 제만 효과라고 하는데, 네덜란드의 물리학자인 피테르 제만 의 이름에서 딴 것이다. 이 효과를 볼 수 있는 예로는 태양의 흑점에서 방출되는 빛이 있다. 전기장에 의해 스펙트럼선이 분리되 는 현상은 최초 발견자인 요하네스 슈타르크의 이름을 따 슈타르크 효과라고 한다. 슈테른 게를라흐 실험의 영향력은 막대했다. 이 실험 결과는 입자의 양자적 특징을 실험실에서 최초로 입증한 것이었다. 과학 자들은 재빨리 추가 실험에 나섰고, 원자의 핵이 양자화된 각운동량을 갖는다는 사실을 밝혔다. 원자핵의 각운동량 역시 전자스 핀과 상호작용을 통해 스펙트럼선의 '초미세한 갈라짐 현상을 일으킨다. 또한 외부의 장의 변화를 통해 전자스핀의 상태를 전환 할 수 있다. 이러한 발견은 현재 병원에서 사용되는 자기공명영상법 (MRI)의 기본 기술로 응용되고 있다.