간단한 물리 질문 - 전구는 빛을 어떻게 내뿜는가?

흑체복사보다는 열복사(또는 온도복사) 항목을 참조하시는게 나을 겁니다.

흔히 사용되는 텅스텐 백열전구는
필라멘트에 전류가 흘러 수천도의 열이 발생하고, 그 열이 약 5%의 효율로 빛에너지로 전환이 이루어집니다.

닥터/ 헐 의사님은 물리학에도 정통하신건가요

어쨌거나 이과생이니까요.

그리고 '정통'은 아니고 대략적인 설명일 뿐입니다.

광자가 방출되는게 아니라 필라멘트에서 방출되는 모든 에너지 파장 중의 가시광은 우리 눈에 보이는거고 나머지는 열이 된다고 생각하심 될꺼에요.

플라네테스/음 모든 에너지 파장이라는게 결국 광자 아닌가요? 파장만 다를 뿐 전자기파는 모두 광자의 방출로 볼 수 있잖아요. 근데 그 광자 방출이 되는 메커니즘이 궁금해요;

전기를 흘려주면, 그 전자가 필라멘트 분자?에 부딛치면 가지고 있는 에너지 때문에 필라멘트 분자의 최외곽 껍데기에 일시적으로 붙었다가 이게 불안정한 상태니까 다시 떨어져 나가면서 그 차이만큼의 에너지가 복사.. 되는 거가 맞나???? 헷갈리네요 ㅎㅎ

플라네테스/ 엄 그러면 전자가 원자 바깥으로 튀어 나가는 순간 광자가 되는 건가요?

그게... 입자이면서도 파동인 난감한 구석이 있죠.

일단 이론상 저도 이과생이므로 주워들은 설을 풀자면...

1) 스위치를 켠다.
2) 필라멘트에 전기가 흐른다.
3) 전기저항으로 열이 발생한다.
4) 발생한 열은 열에너지이다.
5) 열에너지가 필라멘트를 구성하는 원자로 전달된다.
6) 에너지를 받은 원자가 여기상태로 전환된다(즉, 고에너지 상태로 넘어간다).
7) 열받은 여기상태에서 원래의 안정상태로 넘어가려는 경향이 생긴다.
8) 안정상태로 이행하면서 여분의 에너지가 광자로 방출된다.
9) 오오, 빛이 보인다!

오류에 관한 태클을 환영합니다.

'광자'라는 개념은 과학적으로 합의되지 않은 개념입니다.
그 용어를 쓰지 말고 이해하려 하시는 게 좋겠습니다.

1, 2번의 추론은 맞구요, 3번에 대해선 좀 더 복잡한데..일단 정확히는 입자가 에너지를 받게 되면 진동, 즉 운동을 하게 되는데..이러한 입자의 운동이 바로 전자기파이고, 그 중 가시광선 파장 길이의 운동을 하는 입자가 있으면, 사람 눈에는 빛으로 보이게 됩니다.
Planetes 님이 이야기한 원리는 전구가 아니라 형광등의 원리와 유사하구요..실제로 전구와 형광등이 빛을 내는 원리는 다릅니다.

전자기파가 입자이자 파동이고, 그냥 에너지 다발이라고 생각하는게 속 편하다는 말을 듣기는 했는데, 이해하려 하니 정말 난감하군요-_-; 동생한테 듀게에 물어봐서 대답해 주겠다고 했는데;;
아우 근데 이거 생각할수록 광자가 뭔지 전자가 뭔지부터 시작해서 에너지가 뭔지 에너지라는게 물리적으로 존재하기는 하는건지 뭐 그런 생각도 들고;; 아무튼 물리하시는 분들 너무 대단해요.

불별/그렇게 생각하심 될듯...근데 저게 맞는 설명인지 헷갈려요..
제가 생각해도 제 설명이 좀 이상한게 전구는 아닌거 같았단 말이죠..ㅎㅎㅎㅎㅎㅎㅎㅎ이래서 반쪽지식이 무서워요;;

그런데 질문 한 가지. haia님, 광자가 합의되지 않은 개념인가요?

광자력 에너지의 힘이 솟는군요.

그럼 또 질문 하나, 그 빛의 이중성에 대한 유명한 이중 슬릿 실험(???) 뭐 그런거에서 이중 슬릿에 대고 광자를 하나씩 쐈다고 하잖아요. 그럼 그 하나씩 쐈다는건 무슨 의미인건지... 그냥 고등학교 물리책을 읽는게 빠르려나..

광자(정확히는 photon..음..포톤캐논의 그 포톤..-_-;;)는 입자 중에서 가시광선 파장 길이의 운동(?)을 하는 입자를 일컷는다고 생각하시면 되는데, 다른 입자와 다른 특별한 입자가 아니라는 의미에서 haia님이 그렇게 언급하신 듯 하네요..
물론 제 개인적인 생각입니다. ^^;

전자의 가속도 운동 -> 전자기파 발생 -> 이 중 특정 주파수대의 파장을 가진 가시광선이 인간의 눈으로 도달

영이 했던 최초의 이중슬릿실험은 단파장의 빛을 조그만한(?) 슬릿을 통과시켜본 실험이었고, 이후 빛 뿐만 아니라 다양한 형태의 입자들을 쏘아보는 실험을 다양한 과학자들이 수행했었다고 합니다. 어째거나 이 실험을 통해 양자역학이라는 학문이 탄생하게 되는 계기가 되었다고 하네요..

불별/ 빛의 이중성에 대한 이중 슬릿 실험은 광자를 하나씩 쏜게 아니라 단색광을 쏜겁니다. (빛이 입자이면 회절현상이 발생하지 않음, 파동이면 회절현상 발생)
광자나 전자 등의 입자를 하나씩 쏜 건 양자역학에 관한 실험이죠.

불별님이 기억하시는건 물질파에 대한 이야기 같고 그건 빛의 입자성이 아니라 일반적인 물질도 파동의 성질을 가진다는걸 보이는 것..
빛의 입자성을 증명한건 컴프턴효과랑 광전효과...아인슈타인이 광전효과로 노벨상을 받았죠.

...광자가 합의되지 않은 개념이란 건 동의할 수 없는데요..

불별/ 빛이 입자와 파동의 형태를 동시에 띄고 있다는 사실은 이미 밝혀진 상황에서 특정 파장의 빛이 아닌 빔을 통해서 입자(전자)를 순차적으로 쐈을 때도 파동처럼 회절현상이 일어난다는게 양자역학이 밝혀낸 사실입니다. 입자의 형태로 전자를 이중 슬릿에 발사했을 때는 회절현상이 생기지 않아야 되거든요(물론 광자도 마찬가지).

더 놀라운 사실은 입자를 하나씩 쐈을 때도 회절현상이 관찰된다는 겁니다. 이것을 통해 양자적 수준에서는 입자가 생각할 수 있는 모든 경로를 지난다는게 알려지고 이것이 유명한 파동함수(확률밀도함수)로 표현되게 됩니다.

전기에너지가 열에너지가 되어 필라멘트 내부의 원자 및 분자 운동을 자극하게 되면,
필라멘트 물질을 구성하는 원자에서 광자가 방출됩니다.

모닥불에서 나오는 빛은 열에너지가 장작 주변의 산소 분자를 자극하여 광자가 방출되는 것이겠죠?
물론 장작 자체에서도 빛이 나옵니다.

암튼 필라멘트에서 빛이 나는 걸 설명하려고 광량자의 개념까지 들어갈 필요는 없겠고,
그냥 온도가 높아지면 분자 열운동에 의해 전자기파가 생성된다고 설명하면 될듯요.
광자가 어디에서 튀어나온 게 아니라 고전역학에서 전자기파로 이야기하는 게 입자의 성질도 가지니까 양자역학적으로 보면 광자로 볼 수도 있는 거고,
사과나무에서 사과가 떨어질 때 사과가 떨어지는 운동의 물질파를 이야기할 필요가 없듯 필라멘트에서 빛이 나는 현상 자체를 두고 광자를 이야기할 필요는 없겠죠.

정말이지.. 다들 지적으로 보이셔요 @.@

윗분들이 잘 얘기해 주셨는데, 물체가 에너지를 받으면 전자기파가 외부로 방출됩니다. 이를 복사라고 하고요 전자기파 주파수가 적외선 영역이면 열로 느끼고, 가시광선 영역이면 빛으로 보이겠죠. 횃불이나 전구는 빛을 위해 수반되는 적외선 영역 전자기파 에너지가 커서 비효율적이라고 말을 하는 겁니다. 근대 물리학에서 연구해 보니 복사되는 에너지의 단위가 연속적이지 않고 일정량 단위더라... 하면서 발전된게 양자역학 입니다.
입자 하나하나로 주사했을 때로 파동성을 보였던 실험은 전자를 대상으로 한 것이라서 광자를 하나하나 날려봤다더라 하는 것은 아닙니다.

간단한 물리질문이라고 해놓고.... ㅠㅠ;;
진짜 간단한 설명은~
전구가 불을 뿜는 이유는,
난로가 빛나는 이유와 같다~~~~
뜨거워진 물체는 빛을 내는데 그게 전구 안에 있는 필라멘트도 마찬가지다,
그래서 전구 만지면 뜨겁다 만지지 마라~

이 정도면 되지 않을까요? ;;;

분명히 나는 물리를 전공했을 텐데... 또 미지의 세계에 빠져든 거같은 이 무기력감....


전류가 흐를 때 지나가던 전자들이 전구의 필라멘트를 지나가며 내부의 원자들과 충돌하고,
충돌을 통해 자기들이 가지고 있던 에너지를 필라멘트의 원자들이 넘겨받으면,
필라멘트 원자들의 에너지 상태가 높아집니다.
높아진 에너지 상태는 곧, 불안한 상태이므로 곧바로 떨어집니다.
에너지가 높아졌다 떨어지니 남는 에너지가 밖으로 나와야 될텐데,
이때 어떤 전자나 원자핵같은 질량이 있는 입자가 튀어나오는 것이 아니라 '전자기파'라는 파동이 튀어나옵니다.
수많은 원자들은 서로 다른 에너지의 전자기파를 내보낼 테고,
이것이 밖에서 보이는 것(우리 눈으로 들어온 것)이 '빛'의 정체다, 라 할 수 있습니다.

그런데 이 '전자기파' 그러니까 '빛'이라고 부르는 것이,
너는 그래, 너는 파동이고 질량이 없고
나? 나 전자나 원자핵 (인간도 결국 원자핵과 전자로 이루어져 있자나요, 우리는 이쪽에 더 가깝다 생각합니다만) 들은 입자고 질량도 있고,
이렇게 편하게 생각하다가,,

알고 봤더니,,, 질량이 있는 놈이나 없는 놈이나 입자처럼 충돌하여 튀어나가기도 하고, 파동처럼 굴절을 일으키기도 하더라는 겁니다.
편하게 분리해 생각하면 덜 피곤할 일을 사실은 하나였다고 하면서 일이 커진거죠.

'광자'는 빛(전자기파)의 입자성을 나타내는 존재인데요, 상징적인 것인지, 실증된 것인지 잘 모르겠지만..
정의되기로는,, 전자기력(멈춰 있거나 움직있는 전하들 사이에 작용하는 힘)을 매개하는 기본입자,,, 라고 정의되어 있네요.

광자가 양자적(모든 것이,, 양자적이다... 띄엄띄엄 떨어져 있다.. 다시 말해 최소량을 가지는 기본입자가 반드시 있을 것이다..... ) 이라는 것은 광자가 에너지의 최소 단위이기도 하다... 라는 점을 들면 좋을 듯 한데요.
어떤 '빛'을 이루는 '광자'의 1개당 에너지는 빛의 진동수에 따라 결정됩니다.
그니까 들어온 '빛'의 에너지가 100이었다면 에너지1인 광자 100개가 온 것이다, 라고 생각할수 있다는 거죠~

광자1개의 에너지 계산법은 위대한 과학자들의 위대한 이론들에 의해서 도출된 거니, 안 위대한 우리들은 의심하지 않고 받아들일 수밖에~ 쳇, 게다가 기억도 안나고 엄청 복잡해...

여기까지,
왠지 잉여같네요... ;;

어려운 이야기 맞아요. 아인슈타인의 노벨상은 빛이 전기로,전기가 빛으로 변하는 현상의 양자성을 밝힌 광전효과 이론이었습니다.<br /><br />
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