2020년 3월 17일 화요일

01.05 - 빛과 에너지(Working with Light)

01.05 - 빛과 에너지(Working with Light) [커세라 강의페이지]



For us to even know anything about light, we need ways of making it, measuring it, and using it.

'빛'을 다루는 자세;
- '빛'이 어떻게 생겨나는가
- '빛'을 어떻게 측정 하는가
- '빛'을 어떻게 활용하는가

* 위에서 '빛' 대신 다른 원리를 적용해봐도 좋다. 과학탐구의 자세라 할 것이다.

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1. Making light: incandescence(백열광) and luminescence(발광)

1-1. Incandescence: Blackbody Radiation

Incandescence is the production of light by any body that contains heat energy, the energy of vibration. ('열' 에너지에서 전환된 빛)

By warming the metal filament inside the lightbulb using electricity, the metal grows hotter and hotter, emitting more and more light as the temperature increases.

백열광의 예: 전구의 빛이 나오는 원리: 전기에너지-> 필라멘트 달구기->온도상승->빛 발생

The scientific principle of blackbody radiation explains how photons are created by the intense vibrations of atoms and electrons at high temperatures. Blackbody radiation applies to any object above absolute zero, even those that are very cold since even small atomic vibrations exist above absolute zero, the coldest possible temperature.

- '흑체(Blackbody)': 빛의 반사가 0인 (이론상) 물체. '흑체복사', 절대 0도 이상의 온도를 가진 '흑체'는 빛을 방출한다. (열에 대응하는 전자기파 방출이 있다.)

* '흑체'는 단순히 '검은색'을 의미하지 않는다. 눈동자 동공을 '흑체'의 예로 든다. 동공으로 입사된 광자가 안구 내부에서 난반사하여 다시 외부로 빠져나가지 못한다. 이 '동공'을 흑체의 개념적 예라 할 수 있다.

The theory of blackbody radiation describes how the oscillation of atoms in objects creates light waves. Atoms and electrons sloshing back and forth due to thermal vibrations or heat act as tiny emitters, creating oscillating electromagnetic fields. This wiggle of electromagnetic field can be wrapped up in a neat little bundle we call a photon.

- 흑체복사이론: 열->원자와 전자의 진동->전자기장 교란(진동)->빛(광자) 방출 [반사된 빛은 없음]

1-2. Luminescence: Cold Body radiation

Luminescence is the production of light through atomic transitions, which are sometimes called cold body radiation. In a planetary model of an atom, electron orbits move in orbits around the nucleus. When an electron jumps from one orbit to another, it emits or absorbs a photon of specific energy to do this.

원자와 에너지 준위 궤도를 도는 전자의 모형: 전자의 준위변화에 의한 빛 방출. 열이 가해지지 않아도 불안정한 최외곽 전자들이 자발적으로 에너지 준이 사이를 오가며 방출되는 빛. (냉광)

There are many subcategories of luminescent processes. Fluorescence converts UV photons, which we can't see into visible light. Photo phosphorescence releases energy stored in glowing the dark objects, and triboluminescence produces light when we chew on hard candies like lifesavers.

육안으로도 보이는 형광, 동물의 눈에서나오는 인광, 마찰발광, [도깨비불] 등이 있다.

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2. Measuring Lights: Frequency or Wavelength, and Energy (Quantum Revolution)

Now that we've got some light to work with, let's make sure we can measure its properties. When we want to take a measurement of light, what are we measuring?

빛은 저마다 색깔도 다르고 세기도 다르다. 빛의 파장(혹은 주파수)와 세기(에너지)를 측정해보자.

2-1. Speed of light: Frequency, Wavelength

We know that the speed of light is denoted by the letter c, and as a constant, at just under three times 10 to the eight meters per second.

우주 불면의 원칙: 빛의 속도는 고정이다.  빛의 속도를 나타내는 상수 c, 진공에서 초속 30만 킬로미터다. 우주불면의 빛의 속도를 측정의 기본 단위로 삼는다. 심지어 상대론에서는 빛의 속도를 c=1 로 놓기도 한다.

2-2. Energy of light: Electron Volt

What is left is either measure of wavelength, the frequency, or the energy that the photon packets carry.

'광자'는 질량이 0이다. 광자는 입자이긴하나 질량이 0이다. 하지만 광자는 에너지를 가지고 있다. 광자를 개별적으로 세지 않고 광자가 전달하는 에너지 량이란 의미로 'photon packet' 이라고 표현한다.

A typical red laser emits a beam of photons with a wavelength of 650 nanometers. It could equally be advertised as having photons oscillating at a frequency of 460 terahertz, or even in terms of the photon energy, 1.9 electron volts.

빛의 '측정' 예: 붉은 레이져 빛은 650 나노미터(=10의 마이너스 9승 미터)의 파장을 갖는다. 이 파장의 주파수는 640 테라헤르츠( =10의 12승 헤르츠; 초당 진동수)에 해당한다. 이 광자 한개의 에너지는 1.9 일렉트론 볼트(eV, electron volt)다.

Electron volts may sound like a strange unit, one of many will come across in this course. It is defined as the amount of energy that is gained or lost by the charge of a single electron moving across an electric potential difference of 1 volt. It is a minuscule amount of energy equivalent to about 1.6 times 10 to the minus 19 Joules. The naming and labeling of light can be confusing.

일렉트론 볼트(eV)는 에너지의 단위다. 1볼트의 전위차 사이에 전자 한개가 움직임에 필요한 전하량으로 정의된다. 1 전자볼트를 일의 단위로 환산하면 1.6의 10의 마이너스 19승  주울이다. 엄청나게 작은 양이다. [따뜻함을 느낄만한 빛은 도데체 몇개의 '광자'가 우리 피부에 닿아야 한단 말인가!]



* '에너지': '운동 에너지' 와 '전기 에너지' 모두 어쨌든 뭔가(전자라는 입자가 됐든, 1키로그램의 쇳덩이가 됐든) 움직이는데 필요한 '연료'다. '연료'를 소진하여 뭔가 결과를 내면 '일'을 했다고 한다. '일'은 '에너지'를 소진한 결과다. 에너지(=일)의 국제표준 단위는 주울(J, joule). 1주울은 1뉴턴 미터. 뉴턴(N, Newton)은 힘의 단위.

2-3. Quantum mechanics: photon's energy, wavelength, and frequency

The thing to remember is that a photon's energy, wavelength, and frequency can all be considered as equivalent ways to describe light. While a radio frequency photon emitted by a radio station is usually characterized by its frequency, say 102.9 megahertz.

(운동 에너지는 질량과 속도와 시간 그리고 이동한 거리를 가지고 측정한다.) '광자'(=빛)의 에너지는 파장(또는 주파수)로 측정된다. (운동에너지 측정법보다 훨씬 쉽다! 게다가 정수배로 딱 떨어진다. 아! 양자역학이라니!) 방송국에서 송출되는 전파도 주파수로 구분한다. 전파도 주파수가 낮은 광자다. 일예로 102.9 메가헤르츠.

An X-ray photon is usually characterized by its energy, say a kiloelectron volt. Visible light photons are often described by their wavelength, between 400 and 700 nanometers.

X-선 광자의 에너지는 수 킬로 전자볼트다. 가시광선은 파장이 400~700 나노메터 사이의 파장을 갖는다. 파장(혹은 주파수)을 알면 간단한 관계식으로 다른 물리적 특성값(에너지)을 알 수 있다.



X 선의 파장은 10~0.01 나노미터, 가시광선의 파장은 400~700 나노미터에 비해 FM 라디오 전파는 주파수는 백메가 헤르츠대로 파장은 3~4 미터다.

If you are given one of energy, frequency or wavelength, there are some very simple mathematical relationships that allow you to determine the other quantities. The equation relating frequency and wavelength of a photon to the speed of light is, the wavelength lambda times the frequency f is equal to the speed of light c.

빛의 특성을 나타내는 주파수 혹은 파장 그리고 에너지로 측정될 수 있다. 이 특성들은 서로 연관이 있어서 하나를 알면 다른 값들도 계산으로 알아낼 수 있다.



Let's double check the values we had for our red laser. We've been given its wavelength at 650 nanometers. So to determine its frequency, we simply divide the speed of light c by the wavelength lambda. Remember, in order to calculate this properly, we need to express both the speed of light and the wavelength in the common unit of meters. So, a red photon with a wavelength of 650 nanometers has an oscillation frequency of 460 terahertz, exactly what I stated before.

How much energy is our 650 nanometer photon carrying? Let's use our last answer of 460 terahertz to calculate the photon energy. This time, we need another simple equation that relates the frequency of a photon with the energy that it carries.

파장이 650 나노메터인 적색 레이저의 주파수는 640 테라 헤르츠다.



The photon energy is given by the equation, E equals h times f. E stands for the energy and f stands for the frequency of the photon. But h is a new value in this equation. This h represents Planck's constant, named after Max Planck. It relates the frequency of a photon with its energy.

이 레이저의 광자들이 갖는 에너지는 얼마나 될까? 광자의 에너지를 구하는 식은 다음과 같다. [간단하지만 양자역학의 혁명 수식이다.]



H has a value of 6.626 times 10 to the minus 34 in units of Joule-seconds. So, now our 650 nanometer wavelength photon which oscillates with a frequency of 460 terahertz, carries with it an energy equal to 3 times 10 to the minus 19 Joules.



That is a tiny amount of energy. Each and every 650 nanometer wavelength photon carries an incredibly small amount of energy. But, bright light sources like lasers, produce tremendous numbers of photons which is why they pack enough punch to damage sensitive tissues like the retinas of our eyes.

파장이 650 나노미터인 적색 레이저의 광자 한개가 가진 에너지량이 얼마나 작단 말인가? 이런 레이저 광선이 피부나 망막에 조금이라도 손상을 주려면 얼마나 많은 량의 광자가 필요할지 헤아릴 수 없다.

The relationships we have discussed here can be summed up in just three equations. The first two we used, that we just run through and a combination of them. E is equal to hc over lambda. These simple relationships are modern discoveries relatively speaking, since they were developed in the early 20th century, during the quantum revolution.

20세기 양자과학의 혁명이 낳은 식이다.



With these three equations, a technological revolution occurred that permitted the development of advanced optics and telescopes capable of measuring light from even the far reaches of the cosmos. The speed of light is known to incredible precision.

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3. Using Lights

Since the speed of light is well known, it has become common for astronomers to measure enormous distances in space in terms of the time it takes for light to travel in a given amount of time. For example, the distance that light can travel in one second is known as a light-second.

거리를 측정하려면 잣대가 있어야. 잣대에는 눈금이 필요하다. 광활한 우주에서 거리를 측정하는 잣대의 눈금은 빛이 이동한 거리로 하자. 빛의 속도는 절대 상수이므로 기준으로 삼기 적절하다.

One light-second is equal to 299,790,000 meters or 299,790 kilometers. A number this large, can be hard to wrap your head around. So, let's compare this distance to one we can imagine. The distance from the Earth and to the moon. The distance between the Earth and the moon is 384,400 kilometers, which is just a bit larger than one light-second. We could use the unit kilometers which is getting a bit crazy at this point or we could use the unit of light-second. In this new unit, the distance between the Earth and the moon is 1.3 light-seconds. In other words, it takes a photon of light 1.3 seconds to travel from the Earth to the moon.

1초에 빛이 움직인 거리는 299,790 킬로미터. 이정도 길이는 우주의 광활함에 비하면 눔꼽만큼도 않된다. 달까지 거리가 38만 킬로미터가 넘는데 빛으로는 1.3초 만에 닫는 거리다.

If we now step up the size scale and consider the Earth and our Sun, it takes light 8.3 minutes to travel from the sun to the Earth. So we say that the distance is 8.3 light-minutes. Since the distance from the Earth to the sun is so important in astronomy, astronomers also introduced a new distance called the astronomical unit, abbreviated to AU. An astronomical unit is the average distance between the Earth and the sun, and is equal to 8.3 light-minutes or 149.6 million kilometers.

지구에서 태양까지 거리는 1억 4천 9백 6십만 킬로미터다. 빛으로 8.3분 거리다. 이 거리를 천문단위(AU, Astronomical Unit) 라고 한다. 우주 규모에서는 아주 미미한 거리다.

Yeah, the measure of the distance in kilometers is starting to get a bit crazy and messy. If we return to the speed of light measuring stick, and continue to shift the size scale further, we have had light-seconds and light-minutes minutes, then a light-year is the distance light travels in one year. 9.50 times ten to the power of 12 kilometers.

우주를 재는 잣대에 새겨질 눈금 단위는 빛의 연간 도달거리(Ly, Light-year)로 한다. 1광년은 9.50의 10의 12승 킬로미터다.

* 300,000 x 1년 = 300,000 x 60(초) x 60(분) x 24(시) x 365(날)



A light-year sounds like a big distance, but the distance between the sun and the next closest star, Proxima Centauri, is larger than this. Proxima Centauri lies 4.2 light-years away. The distance to the center of the Milky Way galaxy is close to 25,000 light-years.

'광년' 이 엄청난 숫자 같지만 태양계에서 가장 가까운 별, 프록시마 쎈토리 별까지 거리는 4.2광년, 우리은하 중심에서 태양계까지는 약 2만5천 광년, 우리은하에서 가장 가까운 안드로메다 은하까지는 2백5십만 광년 떨어져 있다.

The final unit of distance we want to mention here is called a parsec. This distance is equivalent to 3.26 light-years, and was defined in 2015 to be equal to 648,000 divided by Pi astronomical units. This unit of measurement developed in the early 1900s may sound familiar to some of you, from the beloved character in Star Wars: A New Hope.

Han Solo, owner of the Millennium Falcon brags to Luke Skywalker and Ben Kenobi that, "it's the ship that made the Kessel Run in less than 12 parsecs".

On first hearing this, you might think that a parsec is a measurement of time, but this is obviously not the case. According to fan theory, the Kessel Run is a heavily used smuggling route that normally takes 18 parsecs to navigate. However, Han claims he had shortened the journey by skirting a nearby black hole cluster called the mole.

This path took him closer to black holes than others we're willing to go, and shown that route by six parsecs. However, in the original script written by George Lucas, Han's line is to be delivered in such a way as to denote he is obviously lying in order to boast in front of Luke and Ben. Needless to say, the Millennium Falcon did prove to be a fast ship. The way speed is portrayed in these films, depends not only on visual effects but also on sound effects.

Yes, you heard that right, The Doppler Shift.

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