플랑크가 흑체 복사 문제를 해결하기 위해 제안한 가설은 무엇이며, 기존 고전 이론과 어떤 차이를 보였나요?

Question

안녕하세요. 흑체는 모든 파장의 빛을 다 흡수하고 방출할 수 있는 물질이라고 알려져 있는데요, 플랑크가 흑체 복사 문제를 해결하기 위해 제안한 가설은 무엇이며, 기존 고전 이론과 어떤 차이를 보였나요?

Answer 1

안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 흑체 복사 문제는 19세기 말 물리학에서 큰 난제였고, 이를 해결하기 위해 막스 플랑크가 제안한 가설은 현대 양자역학의 시발점이 되었는데요, 고전 물리학에서는 흑체에서 방출되는 전자기파의 에너지를 연속적인 값으로 취급했습니다. 이때 레일리-진스 법칙에 따르면 파장이 짧아질수록 방출 에너지가 무한히 커진다고 예측되었는데, 이는 실험 결과와 완전히 맞지 않았고, 이러한 모순을 자외선 파탄이라고 부르는 것입니다.

플랑크는 이를 해결하기 위해서 에너지가 양자화되어 있다는 가설을 제기했는데요, 전자기파를 방출하거나 흡수하는 진동자는 연속적으로 에너지를 가질 수 있는 것이 아니라, 특정한 최소 단위의 배수로만 에너지를 가질 수 있다고 보았습니다. 즉 고전역학에서는 에너지가 연속적이며, 진동자의 에너지는 임의의 값을 가질 수 있다고 가정했으며 이 때문에 파장이 짧아질수록 무한히 많은 에너지가 분포할 수 있다고 예측했습니다. 반면에 플랑크의 이론에서는 에너지가 불연속적인 양자 단위로만 교환된다고 가정했고, 이 때문에 고주파 영역에서는 높은 에너지 양자가 필요하므로, 실제로는 그런 상태에 도달할 확률이 급격히 줄어들어 실험 결과와 일치하는 방출 스펙트럼을 설명할 수 있었던 것입니다. 감사합니다.