해설 보기
정답불확정성 원리 — 위치와 운동량의 불확정량 곱이 Δx·Δp ≥ ħ/2로 제한된다는 양자역학의 기본 원리입니다.
핵심 개념
하이젠베르크 불확정성 원리 — 위치와 운동량의 동시 측정 한계
양자역학에서는 입자를 파동다발(파속)로 기술하기 때문에, 위치를 좁게 국한할수록 파장(운동량) 성분이 넓게 퍼집니다. 그 결과 위치의 불확정량 Δx와 운동량의 불확정량 Δp는 Δx·Δp ≥ ħ/2 라는 관계를 만족하며, 둘을 동시에 임의의 정밀도로 측정하는 것이 원리적으로 불가능합니다. 이것은 측정 기술이 부족해서 생기는 오차가 아니라 물질파의 본성에서 나오는 한계이며, 에너지와 시간(ΔE·Δt ≥ ħ/2) 사이에도 같은 형태의 관계가 성립합니다. 이 내용을 정식화한 것이 1927년 하이젠베르크의 불확정성 원리입니다.
선지별 해설
①불확정성 원리는 Δx·Δp ≥ ħ/2로 표현되며, 위치와 운동량처럼 서로 교환되지 않는 두 물리량을 동시에 정확히 알 수 없다는 내용을 정확히 담고 있으므로 정답입니다.
②상대성 이론은 광속 불변과 관성계의 동등성에서 출발해 시간 지연·길이 수축·질량-에너지 등가를 다루는 이론이며, 측정의 동시 정밀도 한계와는 관련이 없으므로 틀렸습니다.
③'배타 원리'는 파울리 배타 원리를 가리키는 것으로, 두 페르미온이 같은 양자상태를 점유할 수 없다는 내용입니다. 측정의 불확정성과는 다른 개념이므로 틀렸습니다.
④광전 효과는 문턱 진동수 이상의 빛을 쬐면 금속에서 전자가 튀어나오는 현상으로, 빛의 입자성(광자)을 보여주는 실험적 근거입니다. 위치·운동량 측정 한계와는 무관하므로 틀렸습니다.
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정답레이저는 백열등보다 오히려 훨씬 좁은 파장 폭(뛰어난 단색성)을 가지므로 이 선지가 옳지 않습니다.
핵심 개념
레이저 빛의 4대 특성 — 결맞음·단색성·직진성·유도방출
레이저(LASER)는 '유도방출에 의한 빛의 증폭'의 약자입니다. 들뜬 상태 원자에 같은 에너지의 광자가 입사하면 위상·진동수·진행 방향·편광이 모두 같은 광자가 복제되어 나오는데(유도방출), 이 과정이 반전 분포와 공진기 안에서 반복되면서 레이저 빛이 만들어집니다. 그래서 레이저 빛은 위상이 잘 맞는 결맞은 빛이고, 파장 폭이 극히 좁아 단색성이 뛰어나며, 퍼짐각이 작아 직진성이 좋고, 단위 면적당 세기가 큽니다. 반면 백열등은 가열된 필라멘트의 열복사라 넓은 파장 범위에 걸쳐 위상이 제각각인 빛을 사방으로 내보냅니다.