[쉽게 풀어쓰기] 전자가 운동하는걸 왜 못볼까? - 불확정성의 원리

과학에 흥미가 있는 학생들이 많이 봤으면해서 최대한 쉽게 써보려해요!!

오늘은 전자를 얘기할때 꼭 나오는 불확정성 원리를 알아보려고 해요.

과학자들은 전자가 운동하는 모습을 실제로 보고싶어했어요. 

하지만 관찰 결과 전자가 실제로 운동하는걸 눈으로 직접 볼 수 없음을 알아냈어요.

전자가 운동함을 본다는건, 전자가 실제 있는 위치와 전자의 운동량을 본다는 뜻이에요.

무언가를 본다는건 빛이 물체에 부딫혀서, 튕겨나오며 우리 눈으로 다시 들어오는걸 의미해요.

우리가 영화를 보면 스크린에 부딫힌 빛이 튕겨나오며 우리 눈으로 들어오는 것이지요.

즉, 전자를 보려면 빛이 전자에 부딫혀서 우리 눈으로 다시 들어와야겠지요?

하지만 전자는 너무 작아서 빛과 충돌해도 변화가 생기게 됩니다.

전자에서 튕겨나온 빛을 우리가 보면 이미 전자는 그곳에 없는것이지요 ㅠㅠ

빛이 이렇게 날아와서

전자와 부딫히면

전자도 움직여버리게 됩니다!

위의 그림은 직관적으로 설명하기 위한거에요. 

빛은 입자이기도 하지만 파동의 성질도 가져요.

우리가 빛을 쏴서 관측한다는건, 빛을 쏘았다가 관측기로 돌아오는 빛을 확인하는 거에요.

빛을 쏠때 파장을 정하는데 파장이 크면 관측값이 부정확해지고, 파장이 작으면 정확해져요.

(그림은 개판이지만 파장이라고 생각해주세요)

위 두 그림은 왼쪽의 파장으로 쏘았을때 관측값이 오른쪽 범위안에 있다는 뜻이에요.

파장이 크면 관측값이 있을 범위가 넓고(위의 그림)

파장이 작으면 범위가 좁겠죠?(아래의 그림)

그럼 전자를 관측할때 파장이 작으면 무조건 전자의 위치가 더 정확히 측정되겠네요!

하지만 아쉽게도 그렇지 않아요.

파동에서, 파장이 크면 에너지가 낮고 파장이 작으면 에너지가 크지요? 

파장이 작다는건 같은 시간에 그만큼 더 잦게 진동하는 것이므로 에너지가 커요.

그래서, 에너지가 큰 빛은 전자를 더 멀리 튕겨내게 됩니다.

즉, 전자의 운동량은 더 불확실해 지겠네요.

이걸 하이젠베르크의 불확정성 원리 라고 합니다.

위치의 불확실성과 운동량의 불확실성은 서로 반비례하는 관계라서,

위치를 정확하게하면 운동량이 불확실해지고

운동량을 정확하게 하면 위치가 불확실해집니다.

식으로 나타내면 다음과 같아요.

이때 Δx는 위치의 불확실성, Δp는 운동량의 불확실성을 의미합니다. 우측은 고정값 그냥 상수라고 생각하면 돼요.

결국, 전자가 운동하는걸 보고싶었지만 위치와 운동량을 동시에 정확히 알 수는 없었네요!