빛의 입자와 빛의 갯수에 대해 궁금합니다.

Question

빛의 입자들이 같은 방향으로 향하고 있다고 가정했을 때요.

1그램의 추를 밀어내는 데 필요한 빛의 개수는 몇 개가 되는걸까요?

궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요.

빛의 입자인 광자(Photon)는 질량이 없지만, 에너지와 운동량을 가지고 있습니다. 아인슈타인(Einstein)의 상대성이론에 따르면, 광자는 E = hf의 관계를 가지며, 여기서 h는 플랑크 상수(Planck`s constant)이고, f는 빛의 주파수입니다. 광자의 운동량(p)은 p = E/c로 표현됩니다. 여기서 c는 빛의 속도입니다.
빛의 입자들이 같은 방향으로 향한다고 가정할 때, 1 그램의 추를 밀어내는데 필요한 광자의 수를 계산하려면, 먼저 광자 하나가 가진 운동량과 1 그램 질량의 물체에 작용해야 하는 총 운동량을 비교해야 합니다.
먼저, 빛의 파장을 특정 짓습니다. 일반적으로 가시광선의 중간 파장인 550 nm(나노미터)를 사용하는 것이 일반적입니다. 이 파장에 대한 빛의 주파수(f)는 다음과 같이 계산할 수 있습니다 :

f = c/λ

여기서 λ는 파장이며, c는 빛의 속도(약 299,792,458 m/s)입니다. 이 주파수를 사용하여 광자 하나의 운동량을 계산할 수 있습니다 :

p = hf / c = h / λ

이제, 1 그램의 추를 밀어내기 위해 필요한 총 운동량을 결정하려면, 먼저 이 추가 가지는 운동 에너지 또는 이를 밀어내기 위해 필요한 힘(운동량 변화)의 양을 설정해야 합니다. 이 운동량을 광자 하나의 운동량으로 나누어 줌으로써 필요한 광자의 수를 추정할 수 있습니다. 이 계산을 진행하기 위해 구체적인 수치(ex : 1 그램의 추에 작용해야 하는 힘)와 광자의 파장이 필요합니다.
정확한 계산을 위해 물리적 매개변수를 설정해주시면, 더 정밀한 답변을 제공할 수 있을 것 같습니다. 추가 매개변수가 있으시면 댓글로 써주시면 추가 답변 드릴꼐요.

참고 문헌 : Modern Physics (Serway, Moses, Moyer),