조화 진동자
원자 사이의 결합, 결정 속 원자의 떨림, MEMS 공진기의 진동판 — 무엇이든 안정한 평형점 근처에서 살짝 흔들리면 용수철처럼 움직인다. 양자역학에서 이 용수철은 에너지를 \(\hbar\omega\) 단위로만 주고받고, 가장 낮은 상태에서도 멈추지 않는다. 이 장은 우물(5장)과 장벽(6장)에 이어 슈뢰딩거 방정식을 정확히 풀 수 있는 세 번째 모형을 다루고, 그 답이 분자의 적외선 흡수와 결정의 포논으로 이어지는 길을 따라간다. 아래 그림을 끌어 파속을 옆으로 옮겨 놓아 보라.
- 임의의 퍼텐셜을 극소점 근처에서 테일러 전개해 힘 상수 \(k = V''(x_0)\)와 진동수 \(\omega = \sqrt{k/m}\)를 구한다.
- 고전 진동자의 확률 분포 \(P(x) = 1/(\pi\sqrt{A^2-x^2})\)를 유도하고 양자 바닥 상태와 비교한다.
- 양자 진동자의 에너지 \(E_n = (n+\tfrac12)\hbar\omega\), 영점 에너지, 에르미트 함수의 마디 구조, 고전적 전환점 너머의 확률을 계산한다.
- 큰 \(n\)에서 대응 원리가 성립함을 보이고, 결맞음 상태가 고전 진동자처럼 모양을 유지하며 왕복함을 설명한다.
- 이원자 분자의 환산 질량과 힘 상수로 적외선 흡수 파수를 구하고, 선택 규칙 \(\Delta n = \pm1\)과 비조화성(모스 퍼텐셜)을 설명한다.
- 1차원 원자 사슬의 분산 관계 \(\omega = 2\sqrt{K/m}\,|\sin(ka/2)|\)를 유도하고 포논 에너지와 열적 점유를 계산한다.
극소점 근처는 모두 포물선
안정한 평형점 \(x_0\)에서는 힘이 0이므로 \(V'(x_0) = 0\)이고, 되돌리는 힘이 있으려면 \(V''(x_0) > 0\)이어야 한다. 퍼텐셜을 \(x_0\) 둘레에서 테일러 전개(Taylor expansion)하면
따라서 진폭이 작은 한, 어떤 퍼텐셜도 조화 진동자(harmonic oscillator) \(V \approx \tfrac12 k(x-x_0)^2\)로 보인다. 힘 상수와 고유 진동수는 극소점의 곡률 하나로 정해진다.
- 원자 사이 퍼텐셜처럼 비대칭인 실제 곡선. 바닥 \(x_0\)이 안정한 평형점이다.
- 1차 근사는 수평선이다. 평형점에서는 힘 \(-V'\)이 0이다.
- 2차 근사가 포물선이다. 바닥 근처 작은 진폭에서는 실제 곡선과 거의 겹친다.
- 진폭이 커지면 3차 항이 보이기 시작한다. 늘어나는 쪽이 완만해 진동이 느려진다 — 비조화성(7.5절).
힘 상수 30인 퍼텐셜 바닥에 질량 1인 원자가 있으면, \(k\)는 이고 각진동수 \(\omega =\) , 주기 로 떨린다. 진동 양자 하나는 \(\hbar\omega =\) , 분광학 단위로 이다.
위 문단의 단위 환산 \(1\ \text{eV/Å}^2 = 16.02\ \text{N/m}\)을 기억해 두면 편하다. 화학 결합의 힘 상수는 수백~수천 N/m(수십~백여 eV/Ų)이고, 진동 주기는 수~수십 fs다. 분광학에서는 진동수를 파수(wavenumber) \(\tilde\nu = 1/\lambda = f/c\)(cm⁻¹)로 쓴다. \(1\ \text{meV} = 8.066\ \text{cm}^{-1}\).
포물선 맞히기: 곡률로 진동 주기를 예측하라
아르곤 원자 두 개 사이의 퍼텐셜을 레너드-존스 꼴 \(V(r) = 4\varepsilon[(\sigma/r)^{12} - (\sigma/r)^6]\), \(\varepsilon = 10.4\) meV, \(\sigma = 0.340\) nm로 근사한다. 평형 거리에서의 힘 상수와 진동 양자 \(\hbar\omega\)를 구하라. 두 원자가 함께 움직이므로 질량은 환산 질량 \(\mu = m_\text{Ar}/2 = 19.97\) u를 쓴다(7.5절).
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고전 진동자와 확률 분포
고전 진동자 \(x(t) = A\cos\omega t\)의 에너지는 \(E = \tfrac12 kA^2\)이고, 입자는 \(-A \le x \le A\) 사이만 오간다. 끝점 \(x = \pm A\)에서 운동 에너지가 0이 되어 방향을 바꾸므로 이 점을 고전적 전환점(classical turning point)이라 한다. 그 바깥은 \(E < V\)인 고전적으로 금지된 영역이다.
무작위한 순간에 입자의 사진을 찍는다고 하자. 입자가 \(dx\) 구간에 머무는 시간은 \(dt = dx/|v|\)이고 반주기 \(T/2 = \pi/\omega\) 동안 한 번 지나가므로, 위치의 확률 밀도는 속력에 반비례한다.
진동하는 추를 무작위한 순간에 수천 번 사진 찍어 위치의 히스토그램을 만들면, 막대가 가장 높은 곳은?
고전 진동자가 \(|x| < A/2\) 구간에서 발견될 확률을 구하라. 구간 폭이 전체의 절반인데 확률도 절반인가?
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양자 조화 진동자
퍼텐셜 \(V = \tfrac12 m\omega^2x^2\)을 시간 독립 슈뢰딩거 방정식(4장)에 넣는다.
큰 \(|\xi|\)에서는 \(\psi'' \approx \xi^2\psi\)이므로 \(\psi \sim e^{-\xi^2/2}\)처럼 가우스 꼴로 줄어든다. \(\psi = h(\xi)e^{-\xi^2/2}\)로 놓으면 \(h\)에 대한 방정식이 나오고, 그 급수 해가 무한히 이어지면 \(e^{+\xi^2}\)처럼 발산한다. 급수가 끊어져 다항식이 될 때만 정규화할 수 있는데, 그 조건이 바로 에너지 양자화다.
에너지 고유값과 고유함수는
$$E_n = \left(n+\tfrac12\right)\hbar\omega, \qquad \psi_n(x) = \frac{1}{\sqrt{2^n n!}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4} H_n(\xi)\,e^{-\xi^2/2}, \qquad n = 0, 1, 2, \ldots$$\(H_n\)은 에르미트 다항식(Hermite polynomial): \(H_0 = 1\), \(H_1 = 2\xi\), \(H_2 = 4\xi^2-2\), \(H_3 = 8\xi^3-12\xi\), 점화식 \(H_{n+1} = 2\xi H_n - 2nH_{n-1}\).
세 가지가 눈에 띈다. ① 준위 간격이 모두 같다(\(\hbar\omega\)) — 무한 우물(\(\propto n^2\))과 다르다. ② 가장 낮은 에너지가 0이 아니라 \(\tfrac12\hbar\omega\)이다. 이것을 영점 에너지(zero-point energy)라 한다. ③ \(\psi_n\)은 마디가 \(n\)개이고, 짝수 \(n\)은 짝함수, 홀수 \(n\)은 홀함수다.
진동 양자가 \(\hbar\omega =\) 65인 진동자의 영점 에너지는 , \(n =\) 1 준위는 다. 실온(300 K)의 \(kT = 25.9\) meV와 비교하면 \(\hbar\omega/kT =\) , 첫 들뜬 상태에 있을 볼츠만 비율 \(e^{-\hbar\omega/kT}\)는 이다.
준위 사다리와 고전 분포의 비교
바닥 상태 \(\psi_0 \propto e^{-x^2/2x_0^2}\)는 가우스 함수이고, \(|\psi_0|^2\)은 가운데에서 가장 크다. 고전 진동자는 끝에서 가장 자주 보였으니 정반대다. 그러나 \(n\)이 커지면 \(|\psi_n|^2\)은 점점 가운데가 낮고 끝이 높은 모양이 되고, 빠른 진동을 평균하면 고전 분포 \(P_\text{cl}\)과 겹친다. 이것이 보어의 대응 원리(correspondence principle)다. 같은 에너지의 고전 진폭은 \(\tfrac12 m\omega^2A^2 = (n+\tfrac12)\hbar\omega\)에서 \(A = x_0\sqrt{2n+1}\)이다.
에너지 사다리: 준위를 끌어 ψn과 고전 분포를 비교하라
Q.solve(800점 유한 차분)로 푼 값이다. 높은 n에서 격자 오차가 조금씩 커진다.바닥 상태(n = 0) 입자를 측정했을 때 고전적 전환점 바깥에서 발견될 확률은 대략?
전자가 \(\hbar\omega = 1.00\) eV인 포물선 퍼텐셜에 갇혀 있다. 길이 눈금 \(x_0\), 바닥 상태 에너지, 위치 퍼짐 \(\Delta x\)를 구하고 \(\Delta x\,\Delta p = \hbar/2\)임을 보여라. (\(\hbar^2/2m_e = 0.0381\) eV·nm²)
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바닥 상태 진동자가 고전적으로 금지된 영역 \(|x| > x_0\)에서 발견될 확률을 구하라. (\(\operatorname{erfc}(1) = 0.1573\))
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디랙은 미분 방정식을 풀지 않고 같은 답을 얻었다. \(\hat a = \tfrac{1}{\sqrt2}(\xi + \tfrac{d}{d\xi})\), \(\hat a^\dagger = \tfrac{1}{\sqrt2}(\xi - \tfrac{d}{d\xi})\)를 정의하면 \([\hat a, \hat a^\dagger] = 1\)이고 해밀토니안은 \(\hat H = \hbar\omega(\hat a^\dagger\hat a + \tfrac12)\)이 된다. 교환 관계로부터 \(\hat a^\dagger\)는 에너지를 \(\hbar\omega\)만큼 올리고(올림 연산자(raising operator)) \(\hat a\)는 내린다: \(\hat a^\dagger\psi_n = \sqrt{n+1}\,\psi_{n+1}\), \(\hat a\psi_n = \sqrt n\,\psi_{n-1}\). 사다리에는 바닥이 있어야 하므로 \(\hat a\psi_0 = 0\), 즉 \((\xi + d/d\xi)\psi_0 = 0\) → \(\psi_0 \propto e^{-\xi^2/2}\). 나머지는 \(\psi_n = (\hat a^\dagger)^n\psi_0/\sqrt{n!}\)로 모두 만들어진다. \(\hat x \propto \hat a + \hat a^\dagger\)이므로 위치(쌍극자) 연산자는 \(n\)을 ±1만 바꾼다 — 7.5절의 선택 규칙 \(\Delta n = \pm1\)이 여기서 나온다. 같은 연산자가 10장 이후 광자·포논을 "생성·소멸"하는 언어가 된다.
가속도계·자이로·RF 필터의 MEMS 공진기도 조화 진동자다. 유효 질량 \(10^{-12}\) kg(1 ng), 공진 주파수 10 MHz인 빔의 영점 진폭 \(x_\text{zp} = \sqrt{\hbar/2m\omega}\)은 약 \(9\times10^{-16}\) m로 양성자 크기 정도이고, 실온의 열적 점유 \(kT/\hbar\omega\)는 약 \(6\times10^5\)이다. 그래서 실제 소자의 잡음 바닥은 영점 진동이 아니라 열 잡음(브라운 운동)이 정한다. 영점 진동이 보이려면 GHz 공진기를 mK까지 냉각해야 한다. 열 잡음 한계는 센서 잡음 장을 참고하라.
결맞음 상태: 고전처럼 움직이는 파속
정상 상태 \(\psi_n e^{-iE_nt/\hbar}\) 하나는 \(|\psi|^2\)이 시간에 따라 변하지 않는다. 진동하는 무언가를 보려면 서로 다른 \(n\)을 겹쳐야 한다. 가장 단순한 겹침 \(\psi = (\psi_0 + \psi_1 e^{-i\omega t})/\sqrt2\)에서는 두 항의 간섭 때문에 \(|\psi|^2\)이 진동수 \((E_1-E_0)/\hbar = \omega\)로 좌우로 흔들린다. 준위 간격이 모두 같으므로, 아무리 많은 준위를 겹쳐도 모든 간섭 항이 \(\omega\)의 정수배로 진동해 주기 \(T = 2\pi/\omega\)마다 정확히 원래 모양으로 돌아온다.
특별한 겹침인 결맞음 상태(coherent state)는 바닥 상태 가우스를 옆으로 \(x_c\)만큼 옮겨 놓은 것이다. 이 파속은 모양(폭 \(x_0/\sqrt2\))을 그대로 유지한 채 중심이 고전 진동자처럼 \(\langle x\rangle = x_c\cos\omega t\)로 왕복한다. 겹친 준위의 무게는 푸아송 분포이고 평균 양자수는 \(\langle n\rangle = |\alpha|^2 = x_c^2/2x_0^2\)이다. 레이저 빛이 바로 광자의 결맞음 상태다(13장).
4장에서 자유 입자의 가우스 파속은 시간이 지나면 퍼졌다. 포물선 바닥의 가우스(폭이 바닥 상태와 같음)를 옆으로 옮겨 놓고 놓으면?
Q.propagator)으로 시간 의존 슈뢰딩거 방정식을 직접 푼다. 폭을 바꾸거나 비조화 항을 켜면 이 마법이 깨진다.결맞음 상태: 파속을 끌어 놓고 왕복을 지켜보라
바닥 상태 가우스를 \(x_c = 3x_0\)만큼 옮겨 놓았다. 평균 양자수 \(\langle n\rangle\)과 평균 에너지를 \(\hbar\omega\) 단위로 구하고, 같은 진폭의 고전 진동자 에너지와 비교하라.
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이원자 분자의 진동과 적외선 흡수
두 원자 \(m_1\), \(m_2\)가 결합으로 묶여 있으면 무게 중심은 자유롭게 움직이고, 원자 사이 거리 \(r\)만 진동한다. 상대 좌표의 운동 방정식에서는 질량 자리에 환산 질량(reduced mass)이 들어간다.
분자는 전기 쌍극자 복사로 빛을 흡수한다. 흡수 확률은 \(\langle\psi_{n'}|\,x\,|\psi_n\rangle\)에 비례하는데, 조화 진동자에서는 이 값이 \(n' = n\pm1\)일 때만 0이 아니다. 이것이 선택 규칙(selection rule) \(\Delta n = \pm1\)이다. 준위 간격이 모두 \(\hbar\omega\)이므로 흡수선은 하나, 진동수 \(\omega\)에만 생긴다. 또 진동하면서 쌍극자 모멘트가 변해야 하므로 HCl, CO는 적외선을 흡수하지만 N₂, O₂, H₂ 같은 동핵 분자는 흡수하지 않는다(적외선 비활성).
- 광자의 에너지 \(hc\tilde\nu\)가 \(\hbar\omega\)와 같으면 바닥에서 첫 들뜬 상태로 올라간다.
- 간격이 모두 같으므로 다른 \(\Delta n = 1\) 전이도 같은 진동수에서 일어난다. 실온에서는 거의 모든 분자가 \(n = 0\)에 있다.
- \(\Delta n = 2\) 이상은 쌍극자 행렬 요소가 0이라 금지된다. 실제 분자는 비조화성으로 약한 배음을 보인다.
- 흡수하려면 진동이 쌍극자 모멘트를 바꿔야 한다. 동핵 이원자 분자는 적외선으로 보이지 않는다.
H–Cl의 H를 중수소 D(질량 2배)로 바꾸면 결합 힘 상수는 그대로다. 흡수선 파수는?
적외선 흡수선 맞히기: 힘 상수를 끌어 목표 파수를 찾아라
H³⁵Cl의 적외선 흡수선은 2886 cm⁻¹이다. 결합의 힘 상수, 광자 에너지와 파장, 300 K에서 \(n = 1\)에 있는 분자의 비율을 구하라. (\(m_\text{H} = 1.00783\) u, \(m_\text{Cl} = 34.9689\) u)
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수소로 덮인 실리콘 표면의 Si–H 신축 진동은 약 2100 cm⁻¹에서 흡수한다. 힘 상수를 구하고, 중수소로 바꾼 Si–D의 흡수 파수를 조화 진동자 모형으로 예측하라. (\(m_\text{Si} = 27.977\) u, \(m_\text{D} = 2.0141\) u)
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푸리에 변환 적외선 분광(FTIR)은 공정 라인의 대표적 비파괴 분석이다. 열산화막 SiO₂의 Si–O–Si 비대칭 신축은 약 1075 cm⁻¹(9.3 μm)에 강한 흡수를 주고, 이 봉우리의 위치와 폭으로 막의 밀도·응력·조성을 판단한다(PECVD 막은 낮은 파수로 밀린다). 수소가 들어간 질화막·비정질 실리콘은 Si–H 2100 cm⁻¹, N–H 약 3340 cm⁻¹ 흡수로 수소 함량을 잰다. 초크랄스키 웨이퍼 속 침입형 산소는 1107 cm⁻¹(0.137 eV) 흡수의 세기로 농도(보통 10¹⁷–10¹⁸ cm⁻³)를 정량한다(ASTM F1188 계열 보정 계수). 산소 농도는 게터링과 웨이퍼 휨을 좌우한다. 공정 전반은 공정, 박막 광학은 박막 광학을 참고하라.
비조화성과 모스 퍼텐셜
실제 결합은 아주 많이 늘이면 끊어진다. 포물선은 영원히 올라가지만, 실제 퍼텐셜은 해리 에너지 \(D_e\)에서 평평해진다. 모스 퍼텐셜(Morse potential)은 이를 잘 흉내 내면서 정확히 풀린다.
결정 격자 진동과 포논
결정 속 원자는 이웃 원자와 결합으로 이어진 거대한 용수철 그물이다. 가장 단순한 모형은 질량 \(m\)인 원자들이 간격 \(a\)로 놓이고 이웃끼리 힘 상수 \(K\)인 용수철로 이어진 1차원 사슬이다. \(n\)번째 원자의 평형 위치로부터의 변위를 \(u_n\)이라 하면
모든 원자가 같은 진동수로 떨고 위상만 자리마다 \(ka\)씩 늦는 파동 해 \(u_n = A e^{i(kna - \omega t)}\)를 넣으면 \(-m\omega^2 = K(e^{ika} + e^{-ika} - 2) = -4K\sin^2(ka/2)\)이므로 분산 관계(dispersion relation)를 얻는다.
사슬의 각 정규 모드는 독립적인 조화 진동자이므로 양자역학에서 에너지가 \((n_k+\tfrac12)\hbar\omega(k)\)로 양자화된다. 그 에너지 양자 \(\hbar\omega(k)\) 하나를 포논(phonon)이라 한다. 빛의 양자가 광자이듯, 격자 진동의 양자가 포논이다. 원자가 두 종류(또는 단위 세포에 원자 두 개)인 사슬에서는 이웃이 같이 움직이는 음향 가지 위에, 단위 세포 안의 두 원자가 서로 반대로 움직이는 광학 가지가 생긴다. 실리콘의 광학 포논은 \(k = 0\)에서 15.6 THz, 약 64 meV(520 cm⁻¹)다.
원자 사슬의 포논: 분산 곡선 위의 점을 끌어라
진동수 15.6인 포논 하나의 에너지는 , 분광학 단위로 이다. 온도 300에서 이 모드의 평균 포논 수는 이다.
위 문단의 평균 포논 수는 \(\bar n = 1/(e^{\hbar\omega/kT} - 1)\)로 계산했다. 들뜬 진동자 준위의 볼츠만 무게를 모두 더하면 나오는 결과로, 10장에서 보스–아인슈타인 분포(Bose–Einstein distribution)의 특수한 경우(화학 퍼텐셜 0)임을 보게 된다. \(kT \gg \hbar\omega\)이면 \(\bar n \approx kT/\hbar\omega\)로 고전 등분배 정리가 되살아나고, \(kT \ll \hbar\omega\)이면 모드가 "얼어붙어" 거의 들뜨지 않는다. 저온에서 고체의 비열이 0으로 가는 이유다.
실리콘의 라만 봉우리는 520 cm⁻¹이다. 이 광학 포논의 에너지(meV), 진동수(THz), 300 K에서 평균 포논 수를 구하라.
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라만 분광은 레이저 광자가 포논 하나를 만들고 그만큼 에너지를 잃고 산란되는 현상을 본다. 무변형 Si의 봉우리는 520 cm⁻¹이고, 결정이 늘어나면(인장) 결합이 물러져 \(K\)가 줄고 \(\omega \propto \sqrt K\)도 줄어 봉우리가 낮은 파수로 이동한다. 이축 응력 1 GPa당 약 −4 cm⁻¹ 이동한다. SiGe 위의 변형 실리콘(strained Si), 소스·드레인 SiGe 스트레서가 채널에 주는 응력, TSV 주위의 응력 분포를 수백 nm 분해능으로 지도로 그린다. 변형이 이동도를 높이는 원리는 소자 미세화를 참고하라.
상온 실리콘에서 전자 이동도(약 1400 cm²/V·s)를 제한하는 주범은 격자 진동, 즉 포논 산란이다. 온도가 오르면 포논 수가 늘어 이동도가 대략 \(T^{-3/2}\)~\(T^{-2.4}\)로 떨어지므로 뜨거운 칩은 느려진다. 반대로 채널에서 가속된 전자가 내놓은 광학 포논은 느린 음향 포논으로 붕괴하며 열이 되어 퍼진다 — 트랜지스터 발열의 미시적 경로다. 나노시트처럼 얇은 채널에서는 포논이 경계에서 산란돼 열전도도가 벌크(약 150 W/m·K)보다 크게 낮아진다. 또 Si는 간접 띠 간격이라 광자 혼자서는 전자를 띠 끝에서 띠 끝으로 올릴 수 없고, 결정 운동량을 보태 줄 포논이 함께 흡수·방출되어야 한다(12·13장). 수송은 캐리어 수송을 참고하라.
핵심 정리
- 안정한 평형점 근처의 퍼텐셜은 모두 \(\tfrac12 k(x-x_0)^2\)로 보이며, \(k = V''(x_0)\), \(\omega = \sqrt{k/m}\)이다. 진폭이 커지면 3차 이상 항(비조화성)이 드러난다.
- 고전 진동자의 위치 확률 밀도는 \(1/(\pi\sqrt{A^2-x^2})\)로 전환점에서 가장 크고, \(|x| > A\)에서는 0이다.
- 양자 진동자의 에너지는 \(E_n = (n+\tfrac12)\hbar\omega\)로 등간격이고, 영점 에너지 \(\tfrac12\hbar\omega\)는 불확정성 원리의 결과다. 고유함수는 \(H_n(\xi)e^{-\xi^2/2}\), \(x_0 = \sqrt{\hbar/m\omega}\).
- 바닥 상태는 고전적 전환점 바깥에서 약 16% 확률로 발견된다. 큰 \(n\)에서는 \(|\psi_n|^2\)의 평균이 고전 분포와 같아진다(대응 원리).
- 준위 간격이 같아 결맞음 상태(옮겨 놓은 바닥 상태 가우스)는 퍼지지 않고 \(\langle x\rangle = x_c\cos\omega t\)로 고전처럼 왕복한다.
- 이원자 분자의 진동 파수는 \(\tilde\nu = \sqrt{k/\mu}/2\pi c\), 선택 규칙 \(\Delta n = \pm1\), 쌍극자가 변해야 적외선 활성이다. 모스 퍼텐셜은 비조화성과 해리를 설명한다.
- 1차원 원자 사슬의 분산은 \(\omega = 2\sqrt{K/m}|\sin(ka/2)|\)이고, 각 모드의 에너지 양자 \(\hbar\omega(k)\)가 포논이다. 평균 포논 수는 \(1/(e^{\hbar\omega/kT}-1)\)이다(10장).
연습문제
상수: \(h = 6.626\times10^{-34}\) J·s, \(\hbar = 1.0546\times10^{-34}\) J·s, \(c = 2.998\times10^8\) m/s, \(1\ \text{u} = 1.6605\times10^{-27}\) kg, \(k_B = 8.617\times10^{-5}\) eV/K, \(\hbar^2/2m_e = 0.0381\) eV·nm², \(hc = 1.2398\times10^{-4}\) eV·cm. 답이 ±1% 이내면 정답이다.
진동수 \(f = 9.00\times10^{13}\) Hz인 분자 진동의 영점 에너지는 몇 eV인가?
\(E_0 = \tfrac12 hf = \tfrac12(6.626\times10^{-34})(9.00\times10^{13})/(1.602\times10^{-19}) = 0.186\) eV.
고전 진동자(진폭 \(A\))가 바깥 구간 \(|x| > 0.8A\)에서 발견될 확률은?
\(P = 1 - (2/\pi)\arcsin(0.8) = 1 - (2/\pi)(0.9273) = 0.410\). 폭은 전체의 20%인데 확률은 41%다.
CO의 진동 흡수선은 2143 cm⁻¹이다. 흡수되는 적외선의 파장(μm)과 광자 에너지(eV)는?
\(\lambda = 1/\tilde\nu = 1/(2143\ \text{cm}^{-1}) = 4.67\times10^{-4}\) cm \(= 4.67\) μm. \(E = hc\tilde\nu = 1.2398\times10^{-4}\times2143 = 0.266\) eV.
위 문제의 ¹²C¹⁶O(\(m_\text{C} = 12.000\) u, \(m_\text{O} = 15.995\) u)의 결합 힘 상수는?
\(\mu = 6.856\) u \(= 1.1385\times10^{-26}\) kg. \(2\pi c\tilde\nu = 2\pi(2.998\times10^8)(2.143\times10^5) = 4.037\times10^{14}\) s⁻¹. \(k = 1.1385\times10^{-26}\times(4.037\times10^{14})^2 = 1.86\times10^3\) N/m. 삼중 결합이라 HCl(481 N/m)의 약 4배다.
H³⁵Cl의 흡수선이 2886 cm⁻¹일 때, 힘 상수가 같다고 보고 D³⁵Cl의 흡수선을 예측하라. (\(m_\text{H} = 1.00783\), \(m_\text{D} = 2.01410\), \(m_\text{Cl} = 34.9689\) u)
\(\mu_\text{HCl} = 0.97959\) u, \(\mu_\text{DCl} = 1.90441\) u. \(\tilde\nu = 2886\sqrt{0.97959/1.90441} = 2070\) cm⁻¹ (측정값 약 2091 cm⁻¹).
실리콘 나노 구조에서 전자(유효 질량 \(0.19m_e\))가 포물선 구속을 받아 준위 간격 \(\hbar\omega = 20.0\) meV를 보인다. 길이 눈금 \(x_0 = \sqrt{\hbar/m^*\omega}\)는?
\(x_0 = \sqrt{2(0.0381)/(0.19\times0.0200)} = \sqrt{20.05} = 4.48\) nm. 바닥 상태 폭 \(\Delta x = x_0/\sqrt2 = 3.2\) nm로 나노시트 두께와 비슷한 크기다.
첫 들뜬 상태 \(\psi_1\)이 고전적 전환점 바깥(\(|\xi| > \sqrt3\))에서 발견될 확률은? \(|\psi_1|^2 = (2/\sqrt\pi)\xi^2e^{-\xi^2}\)이고 \(\int_b^\infty \xi^2e^{-\xi^2}d\xi = \tfrac{b}{2}e^{-b^2} + \tfrac{\sqrt\pi}{4}\operatorname{erfc}(b)\), \(\operatorname{erfc}(\sqrt3) = 0.01431\).
\(P = 2\cdot\dfrac{2}{\sqrt\pi}\left[\dfrac{\sqrt3}{2}e^{-3} + \dfrac{\sqrt\pi}{4}\operatorname{erfc}\sqrt3\right] = \dfrac{2\sqrt3}{\sqrt\pi}e^{-3} + \operatorname{erfc}\sqrt3 = 0.0973 + 0.0143 = 0.112\). 사다리 시뮬레이터에서 n = 1로 확인하라.
CZ 실리콘 웨이퍼의 침입형 산소 농도는 FTIR에서 1107 cm⁻¹ 흡수로 잰다. 이 진동 양자의 에너지(meV)와 흡수 파장(μm)은?
\(E = 1.2398\times10^{-4}\times1107 = 0.1373\) eV \(= 137\) meV. \(\lambda = 10^4/1107 = 9.03\) μm(중적외선).
변형 실리콘 채널의 라만 봉우리가 520.0 cm⁻¹에서 516.8 cm⁻¹로 이동했다. 광학 포논 진동수가 \(\omega \propto \sqrt K\)라고 보면 유효 힘 상수 \(K\)는 몇 % 변했는가?
\(\Delta\omega/\omega = -3.2/520 = -0.615\%\) → \(\Delta K/K = 2\times(-0.615\%) = -1.23\%\). 늘어난(인장) 결합이 물러졌다. 이축 응력 계수 −4 cm⁻¹/GPa로는 약 0.8 GPa다.
\(\hbar\omega = 63.0\) meV인 실리콘 광학 포논 모드의 평균 포논 수를 300 K와 400 K에서 구하라. 칩이 뜨거워지면 광학 포논 산란이 얼마나 늘어날지 짐작해 보라.
\(kT = 25.85\), 34.47 meV. \(\bar n = 1/(e^{63.0/25.85}-1) = 1/(e^{2.437}-1) = 0.0958\), \(\bar n = 1/(e^{1.828}-1) = 0.192\). 100 K 오르는 동안 두 배가 된다 — 흡수 산란율은 \(\bar n\)에 비례한다.
Si 원자(28.09 u)가 간격 \(a = 0.250\) nm, 힘 상수 \(K = 60.0\) N/m인 1차원 사슬을 이룬다. 최대 진동수 \(f_\text{max}\)와 긴 파장 음속 \(v_s\)는?
\(\sqrt{K/m} = \sqrt{60.0/(4.664\times10^{-26})} = 3.587\times10^{13}\) s⁻¹. \(f_\text{max} = 2\sqrt{K/m}/2\pi = 11.4\) THz. \(v_s = a\sqrt{K/m} = (0.250\times10^{-9})(3.587\times10^{13}) = 8.97\times10^3\) m/s \(= 8.97\) km/s. 실제 Si의 종파 음속 약 8.4 km/s와 비슷하다.
모스 퍼텐셜로 본 HCl은 \(D_e = 4.62\) eV, \(\hbar\omega = 0.371\) eV다. (a) \(0\to1\) 전이 파수, (b) 속박 준위의 개수(\(E_{n+1} - E_n > 0\)인 \(n\)의 범위, \(n = 0\) 포함)를 구하라.
(a) \(E_1 - E_0 = 0.371 - 0.371^2/9.24 = 0.371 - 0.0149 = 0.3561\) eV → \(0.3561/1.2398\times10^{-4} = 2872\) cm⁻¹. (b) \(E_n\)은 \(n + \tfrac12 = 2D_e/\hbar\omega = 24.9\)에서 최대이므로 \(n = 0, 1, \ldots, 24\)의 25개 준위가 \(D_e\) 아래에 있다. 모스 미니 실험의 판독값과 비교하라.
다음 중 진동 적외선 흡수를 보이지 않는 분자는?
N₂는 같은 원자 두 개라 진동해도 쌍극자 모멘트가 0으로 남는다. 그래서 공기의 주성분 N₂·O₂는 적외선을 거의 흡수하지 않고, 온실 효과는 CO₂·H₂O가 맡는다. N₂ 진동은 라만으로 관측한다.
양자 조화 진동자의 바닥 상태 에너지가 0이 아니라 \(\tfrac12\hbar\omega\)인 이유로 가장 알맞은 것은?
절대 영도에서도 남는 에너지다. 입자를 바닥에 정지시키면 \(\Delta x = \Delta p = 0\)이 되어 불확정성 원리에 어긋난다. 바닥 상태는 \(\Delta x\Delta p = \hbar/2\)를 정확히 만족한다. 정상 상태이므로 빛을 내놓지 않는다.
유효 질량 \(1.0\times10^{-12}\) kg, 공진 주파수 10.0 MHz인 MEMS 공진기의 영점 진폭 \(x_\text{zp} = \sqrt{\hbar/2m\omega}\)와 300 K에서 열적 점유의 크기 \(kT/\hbar\omega\)를 구하라.
\(\omega = 2\pi\times10^7 = 6.283\times10^7\) s⁻¹. \(x_\text{zp} = \sqrt{1.0546\times10^{-34}/(2\times10^{-12}\times6.283\times10^7)} = 9.16\times10^{-16}\) m. \(kT/\hbar\omega = (1.381\times10^{-23}\times300)/(1.0546\times10^{-34}\times6.283\times10^7) = 6.25\times10^5\). 열 진동 진폭은 영점의 약 \(\sqrt{2\times6.25\times10^5} \approx 1100\)배다.
개념 확인 퀴즈
무한 사각 우물과 조화 진동자의 준위 간격을 비교한 것으로 옳은 것은?
분자의 결합 힘 상수를 4배로 하고 환산 질량은 그대로 두면 진동 흡수 파수는?
양자 진동자의 \(|\psi_n|^2\)이 고전 확률 분포와 가장 비슷해지는 경우는?
결맞음 상태 파속이 포물선 퍼텐셜에서 퍼지지 않고 왕복하는 가장 근본적인 이유는?
1차원 원자 사슬에서 \(k = \pi/a\)(영역 끝) 모드의 특징은?