물리 이야기

안녕하세요 오늘은 고체물질에서 에너지 띠가 어떻게 형성되는지 알아보도록 하겠습니다. 자세히 설명하기엔 한계가 있으니 정말 간단하게 설명드리겠습니다. 원자에서의 에너지 준위가 분자에서는 어떻게 바뀌는지 확인하고 그 개념을 수많은 원자로 구성된 고체로 확장하여 에너지 띠가 형성되는 과정을 설명할 것입니다. Fig 1은 수소원자가 가지고 있는 에너지 준위 입니다. 모든 에너지 준위를 표현하면 너무 복잡하니 그림에서 다른 에너지 준위는 다 생략하고 가장 낮은 에너지 준위 n = 1만 놓고 보겠습니다. 에너지가 수소원자에 가해지지 않는다면 수소원자의 한 개의 전자는 n = 1인 에너지 준위에 위치하며, 충분한 에너지를 갖는 광자가 입사되면 수소원자의 전자는 n =2로 전이(excited) 될 것입니다. 이제 두개..

양자역학 2021. 1. 10. 20:25

안녕하세요 오늘은 물질의 반자성과 상자성에 대해서 이야기를 해볼까 합니다. 반자성은 평소에 물질이 자성을 띄고 있지 않다가 외부에서 자기장이 가해지면 외부 자기장의 반대 반향으로 약하게 자화 되는 성질입니다. 상자성은 평소에 물질이 자성을 띄고 있지 않다가 외부에서 자기장이 가해지면 외부 자기장의 방향으로 약하게 자화 되는 성질입니다. 자성을 공부하려면 양자역학으로 접근해야 하지만 고전역학으로도 어느 정도 내부에서 무슨 일이 벌어지고 있는지 알 수 있습니다. 먼저 반자성이 왜 발생하는지부터 알아보겠습니다. Fig 1의 (a)와 같이 원자의 핵 주위를 궤도운동(orbital motion)하는 전자에 의한 자기장과 Fig 1의 (b)와 같이 전자의 스핀(spin)에 의한 자기장이 주로 작용하여 원자는 자석처..

전자기학 2021. 1. 9. 14:06

안녕하세요. 오늘은 오랜만에 물리 문제를 하나 풀어보도록 하겠습니다. 비탄성 충돌과 운동량 보존법칙을 적용해야 하는 대표적인 문제로 총알이 나무에 박히는 문제입니다. Fig 1과 같이 질량이 m인 총알이 v의 속도로 날아와 높이가 h인 선반 끝에 있던 질량이 M인 나무도막에 박히면 나무도막이 선반 아래로 떨어지게 됩니다. 이때 나무도막이 바닥에 닿는 순간까지 이동한 수평거리 s를 구하는 것이 예제 문제입니다. 이 문제를 풀기 위해서는 위에서 말씀드린 것처럼 총알이 나무도막에 박혀서 하나의 덩어리로 운동하기 때문에 비탄성 충돌의 개념이 쓰입니다. 그리고 물체가 이동한 거리를 알려면 속도의 정보가 있으면 좋기 때문에 운동량 보존법칙의 개념을 이용해 충돌 후의 속도를 알아낼 것입니다. 우선 충돌 전 이 계의 ..

문제 2021. 1. 8. 21:51

안녕하세요. 눈이 매우 내리는 날씨입니다. 오늘은 유전율을 높이는 방법이 검색 키워드에 있길래 이것에 대해서 이야기해보겠습니다. 유전율이 높은 물질은 분극(polarization)이 잘 됩니다. 분극이란 Fig1에서 처럼 외부에서 전기장이 가해질 때 핵에 속박된 전자가 한쪽으로 쏠리는 현상을 말합니다. Fig1의 (b)가 (a) 보다 전자가 더 쏠렸기 때문에 (b)가 더 분극이 더 잘되는 상황입니다. 분극의 개념은 핵에 속박된 전자의 쏠림에서 분자내에 전하(charge)가 쏠리는 현상으로도 확장할 수 있습니다. Fig 2의 (a)를 보시면 분자 내에 불소(fluorine) 원자는 전기 음성도(electronegativity)가 높아 분자의 전자들을 끌어당기는 성질이 있습니다. 반면 수소(hydrogen)..

전자기학 2021. 1. 6. 23:09

안녕하세요. 오늘은 굴절률(refractive index)이 무엇인지 살펴보도록 하겠습니다. 우리는 스넬의 법칙(snell's law)을 통해 빛은 굴절률이 다른 두 매질의 경계에서 꺾인다는 것을 알고 있습니다. 여기서 말하는 굴절률의 근원이 무엇인지 조금 더 알아보는 시간을 갖겠습니다. 빛이 진공에 있는 광원에서 유리판에 입사되는 상황을 가정해보겠습니다. 빛은 전기장과 자기장이 진동하며 전파되어 나아가는 전자기파(electromagnetic field)이기 때문에 전자(electron)를 진동시킬 수 있습니다. 따라서 Fig 1과 같은 상황에서 빛이 유리판에 입사되면 유리판을 이루고 있는 원자에 속한 전자들을 진동시킬 수 있습니다. 전자가 진동하면 전자기파를 방출하기 때문에 빛을 받은 유리판의 전자들 ..

전자기학 2021. 1. 5. 22:30

안녕하세요. 오늘은 글 제목 그대로 빛이 굴절률(refractive index)이 다른 매질에 입사할 때 빛이 꺾이는 이유에 대해서 그림으로 알아보도록 하겠습니다. '굴절률이 달라서 스넬의 법칙 (snell's law)에 의해 꺾인다'라고 말할 수 있는데 직관적인 감각을 키우기 위해 다른 방향으로 접근해 보도록 하겠습니다. 결론부터 말하자면 굴절률이 다른 매질에 빛이 입사할 때 빛이 꺾이는 이유는 파동에서 디른 매질에 입사하지 않은 부분의 위상과 다른 매질에 입사된 부분의 위상이 이어지면서 진행해야 하기 때문입니다. 무슨 소리인지 이해하기 위해 Fig 1을 살펴보겠습니다. Fig 1의 (a)는 평면파를 약간 측면에서 바라본 모습입니다. 파동의 마루 (파동의 최대점)와 파동의 골(파동의 최저점)이 표현되어..

전자기학 2021. 1. 3. 14:04

안녕하세요. 오늘은 축전기(capacitor)에 삽입된 유전체(dielectric)의 유전율이 축전기에 어떤 영향을 주는지 알아보도록 하겠습니다. 축전기의 금속판의 크기나 간격을 조절하지 않고 축전기의 에너지 저장 능력을 높이려면 유전율이 높은 물질을 금속 평행판 사이에 삽입하면 된다고 알려져 있습니다. 제가 지금부터 설명할 내용은 '왜 유전율이 높은 물질이 축전기의 에너지 저장 능력을 높여주는가'에 대한 내용입니다. 유전체는 금속과 달리 자유전자가 없고 핵(nucleus)에 속박된 전자(electron)만 존재합니다. 그런데 핵에 속박된 전자라도 전하량을 가지고 있기 때문에 외부에서 전기장을 가해준다면 Fig 1의 (a)와 같이 전자가 한쪽으로 어느 정도는 쏠리는 현상이 발생합니다. 이 현상을 분극(p..

전자기학 2021. 1. 1. 17:28

오늘은 두 금속 평행판(축전기) 사이에 유전체(dielectric)를 넣으면 어떠한 일이 발생되는지 살펴보도록 하겠습니다. 우선 축전기의 정의는 전기장(electric field)의 형태로 에너지를 저장하는 소자입니다. 간단히 말해서 축전기는 에너지를 저장할 수 있는 소자입니다. 축전기 두 금속 평행판의 크기와 떨어진 거리가 고정될 경우 두 평행판 사이에 유전체의 유/무 따라서 축전기의 에너지 저장 용량이 달라집니다. 이제부터 그 이유를 설명해 볼까 합니다. 결론부터 말하자면 Fig 1과 같이 전압이 공급되는 회로에 연결된 축전기에 유전체가 삽입된 경우 그렇지 않은 경우보다 더 많은 전하(charge)를 금속 평행판에 저장 할 수 있습니다. 전하가 많이 저장된 축전기를 저항이 있는 회로에 연결할 경우 많..

전자기학 2021. 1. 1. 13:13