현대물리 입문
양자·상대성·원자모형·핵

양자역학은 미시 세계의 법칙이에요. ① 광전효과 (Photoelectric Effect): 1905년 아인슈타인 (노벨상 1921). 금속에 빛을 비추면 전자 방출. 핵심: 빛의 "진동수"가 임계 진동수 이상이어야 전자 방출 (밝기는 무관). 빛이 "입자 (광자·photon)"임을 증명. E = hf (빛 에너지 = 플랑크 상수 × 진동수). 태양광 발전·디지털 카메라·이미지 센서의 원리. ② 빛의 이중성: 빛 = 파동 (간섭·회절) + 입자 (광전효과). 빛은 "파장 + 입자" 동시에 가짐. ③ 물질파 (de Broglie·1924): 모든 물질은 파동성을 가짐. λ = h/p (질량×속도에 반비례). 전자도 파동처럼 행동 → 전자 회절 실험 증명. 큰 물체는 파장이 너무 작아 파동성 무시. ④ 양자 (Quantum): 에너지·물리량이 "이산적" (덩어리). 연속 X. 광자·전자의 에너지가 그 예. ⑤ 하이젠베르크 불확정성 원리 (1927): 위치와 운동량을 동시에 정확히 측정 불가능. ΔxΔp ≥ ℏ/2. 미시 세계의 본질적 한계. ⑥ 응용: 반도체 (트랜지스터·CPU)·LED·레이저·양자컴퓨터·MRI. 시험에서 광전효과·물질파 단골 출제.

원자 모형은 19~20세기에 걸쳐 발전했어요. ① 돌턴 (1803): 원자 = 더 이상 쪼갤 수 없는 입자 (구슬 모형). ② 톰슨 (1897·전자 발견): 음극선 실험 → 원자 안에 작은 음전하 입자 (전자). 모형: 양전하 안에 전자 박힌 "건포도빵 모형". ③ 러더퍼드 (1911·알파입자 산란 실험): 알파입자를 금박에 쏘면 대부분 통과·일부는 크게 휨. 결론: 원자 중심에 작은 양전하 핵 + 주변에 전자. 모형: "행성 모형" (태양 = 핵·행성 = 전자). 한계: 전자가 핵으로 끌려 떨어져야 함 (전자기학 모순). ④ 보어 (1913): 행성 모형 + 양자 가설. 전자는 정해진 궤도 (에너지 준위)만 돌고, 궤도 사이를 "양자 도약"하며 빛 흡수·방출. 수소 원자 스펙트럼 설명 성공. ⑤ 현대 양자역학 (1925~·하이젠베르크·슈뢰딩거): 전자는 궤도 X, "확률적 분포 (전자구름)" O. 위치 = 확률·운동량 = 확률. 양자수 (n·l·m·s)로 전자 상태 기술. ⑥ 시험에서는 "보어 모형 + 수소 스펙트럼"이 단골 출제. 전자가 높은 에너지 준위 → 낮은 준위로 떨어질 때 차이만큼의 빛 방출.

핵물리는 20세기 가장 강력한 발견이에요. ① 원자핵 = 양성자 + 중성자. 원자번호 = 양성자 수·질량수 = 양성자 + 중성자. 동위원소 (양성자 같고 중성자 다름·예: ¹²C·¹³C·¹⁴C). ② 방사선 종류: 알파선 (α·헬륨 핵·종이로 차단)·베타선 (β·전자·알루미늄으로 차단)·감마선 (γ·고에너지 빛·납으로 차단). 투과력 γ > β > α·전리력 α > β > γ. ③ 반감기 (Half-life): 방사성 원소가 절반 붕괴하는 시간. 우라늄-238 = 45억 년·탄소-14 = 5,730년 (방사성 연대측정). 매 반감기마다 1/2 → 1/4 → 1/8. ④ 핵분열 (Fission): 무거운 원자핵 (우라늄-235·플루토늄-239)이 중성자에 의해 쪼개짐. 막대한 에너지 방출 + 추가 중성자 (연쇄반응). 원자력 발전·원자폭탄. ⑤ 핵융합 (Fusion): 가벼운 원자핵 (수소·중수소)이 합쳐져 무거운 핵 (헬륨). 더 큰 에너지·청정. 태양·별의 에너지원. 인공 핵융합 = 미래 무한 청정 에너지 (ITER 국제 핵융합 실험·KSTAR 한국 인공태양). ⑥ 응용: 원자력 발전 (한국 30%)·방사선 치료 (암 치료)·방사선 진단 (X선·CT·PET)·연대측정 (탄소-14·고고학). 시험에서 핵분열·핵융합·반감기 단골 출제.

아인슈타인의 상대성이론은 시공간 개념을 바꿨어요. ① 특수상대성이론 (1905): 두 가설 - ⓐ 모든 관성계에서 물리 법칙 동일·ⓑ 진공 빛 속도 c는 어떤 관성계에서도 일정. 결과 ① 시간 팽창 (Time Dilation): 빠르게 움직이는 시계는 천천히 감. t = t₀/√(1-v²/c²). GPS 위성 시계가 지상보다 빠르게 가는 것은 일반상대성 + 늦게 가는 건 특수상대성으로 보정. ② 길이 수축 (Length Contraction): 빠르게 움직이는 물체는 진행 방향으로 짧아짐. ③ 동시성의 상대성: 한 관성계에서 동시인 사건이 다른 관성계에서는 동시 X. ④ 질량-에너지 등가 (E=mc²): 질량과 에너지는 같은 것의 두 측면. 작은 질량이 막대한 에너지로 변환. 핵분열·핵융합의 에너지 원천. ⑤ 일반상대성이론 (1915): 중력 = 시공간의 곡률. 무거운 물체가 시공간을 휘게 함. 결과: ⓐ 중력에 의한 시간 팽창 (블랙홀 근처 시계 늦게 감)·ⓑ 빛도 중력에 휨 (중력 렌즈)·ⓒ 중력파 (2015년 LIGO 직접 검출). ⑥ 응용: GPS (시간 보정 안 하면 매일 11km 오차)·블랙홀 (사건의 지평선·이벤트 호라이즌 망원경)·우주론 (빅뱅·우주 팽창)·중력파 검출. 시험에서 시간 팽창·E=mc² 단골 출제.