양자역학의 세계

<빛 물리학>

1. 반사와 굴절 그리고 광학기계
빛에 대한 고대의 관심 / 망원경과 현미경의 발견 / 반사법칙과 굴절법칙의 발견 / 거울과 렌즈가 만드는 상 / 안경

2. 빛의 입자설과 파동설의 논쟁
초기의 파동 이론 / 뉴턴의 색채이론과 미립자설 / 빛의 파동이론 / 빛의 전자기파 / 빛과 매질 / 광양자설 / 빛의 이중성

3. 빛의 속도는 얼마인가?
빛의 속도는 유한한가? / 뢰머의 공전 주기를 이용한 광속 측정 / 브래들리의 광행차를 이용한 광속 측정 / 피조의 톱니바퀴를 이용한 광속 측정 / 푸코의 회전하는 거울을 이용한 광속 측정 / 마이컬슨의 광속 측정 / 빛과 현대 물리학

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<전기와 자기>

1. 정전기
전전기의 발견 / 물질의 구조와 마찰전기 / 정전기 / 정전기 없애기 / 정전기 이용하기 / 정전 유도와 분극

2. 전류의 발견
마찰을 이용한 기전기 / 전류의 발견 / 전류와 전자

3. 라이덴병의 발명
라이덴병의 발명 / 축전기 / 공중 전기와 피뢰침

4. 쿨롱의 법칙과 옴의 법칙
쿨롱의 법칙 / 옴의 법칙 / 물질의 전기저항 / 초전도체 / 전류가 하는 일 / 편리한 전기 에너지

5. 전지
볼타전지의 발병 / 여러 가지 형태의 볼타전지 / 편리하게 사용되는 여러 가지 전지

6. 전류의 자기 작용
전류의 자기 작용 / 앙페르의 법칙 / 전자석과 영구자석 / 지구 자기장 / 천체와 자기장

7. 전자기유도 현상의 발견
전자기유도 현상의 발견 / 발전기 / 전류가 받는 힘 / 교류와 변압기

8. 맥스웰 방정식과 전자기파
맥스웰의 생애 / 맥스웰 방정식 / 맥스웰 방정식과 전자기파 / 전자기파와 전자의 발견/ 빛과 전자기파

9. 전자의 발견과 전자공학
전자의 발견 / 전자의 크기 / 반도체 / 전가기학과 인류 문명

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<열과 엔트로피>

1. 물질과 열
물질의 상태 변화 / 기체의 상태 방정식 / 온도계 및 열량계 / 비열과 열용량 / 열의 전달 - 대류, 복사, 전도

2. 열과 열기관
열기관의 발달 / 와트의 증기기관 / 증기기관차의 발달 / 증기선의 발달

3. 열소설과 열기관
열소설 / 카르노와 코르노 기관

4. 열역학 제1법칙의 성립
열과 에너지의 관계를 밝혀내다 / 열역학 제1법칙 - 에너지의 보존법칙

5. 열역학 제2법칙
열역학 제1법칙으로 설명할 수 없는 문제들 / 클라우지우스와 열역학 제2법칙

6. 엔트로피와 열역학 제2법칙
엔트로피 증가 법칙

7. 엔트로피의 새로운 해석
온도의 분자운동론적 해석 / 엔트로피의 통계적 해석


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<힘, 운동량, 에너지의 삼각관계>

1. 힘과 운동의 관계가 밝혀지기까지
힘과 운동량 그리고 에너지 / 힘이란 무엇일까? / 고대 역학에서의 힘과 운동 / 움직이고 있는 지구 / 갈릴레오와 망원경 / 케플러와 생성 운동 법칙

2. 드러난 힘과 운동의 관계
관성의 법칙 / 가속도의 법칙 / 작용과 반작용의 법칙 그리고 관성력

3. 어떤 힘들이 있을까?
자연과 힘 / 중력 / 중력과 인공위성 / 땅속으로 들어가면 중력은 어떻게 될까? / 전자기력 / 마찰력 / 베르누이의 원리와 양력 / 부력 / 핵력 / 자연의 근본적인 힘과 힘들의 통일

4. 힘과 운동량
운동량은 왜 필요한가? / 운동량과 힘 / 운동량 보존의 법칙 / 반발력 / 우주 탐사선은 생성을 이용해 가속된다 / 상대성 이론과 운동량 보존 법칙

5. 힘과 에너지
에너지란 무엇인가? / 운동 에너지 / 위치 에너지 / 탄성 에너지 / 열역학 보존의 법칙 / 일의 원리 / 힘, 운동량, 에너지의 삼각관계

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<양자물리학의 세계>

1. 양자화된 물리량
연속적인 세상과 불연속적인 세상 / 흑체복사와 에너지의 양자화 / 원자모형의 등장 / 보어의 원자모형

2. 입자와 파동
광전효과와 광양자 / 콤프턴의 실험 / 드브로이와 물질파 이론

3. 양자물리학의 성립
슈뢰딩거와 파동역학 / 코펜하겐 해석 / 슈뢰딩거의 고양이 / 불확정성의 원리

4. 양자역학적 원자모형
원자모형과 양자수 / 원자 스펙트럼과 레이저

5. 원자핵의 구조
원자핵의 구성 / 방사성 동위원소와 원자력 / 방사성원소와 연대측정

6. 입자의 세계
새로 발견되는 입자들 / 렙톤과 쿼크 / 자연에 존재하는 힘

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“볼츠만은 원자나 분자들의 행동을 통계적으로 분석하여 열과 관계된 여러 가지 현상을 이해하는 데 크게 공헌한 과학자였다. 그리고 엔트로피를 새롭게 정의하여 통계물리학이라는 새로운 물리학의 기초를 닦은 사람이었다. 하지만 그는 원자의 존재를 부정하던 학자들에 의해 강한 반발을 받아야 했다. 실제로 측정할 수 없는 것의 존재를 인정하려 하지 않았던 과학자들 중에는 원자의 존재 자체를 부정하는 사람도 있었다. 당시 빈 대학은 그런 생각을 가지고 있던 학자들의 중심지였다. 따라서 원자의 존재를 바탕으로 여러 가지 열 현상을 설명하려던 볼츠만은 많은 어려움을 겪어야 했다. 이런 일로 정신적 어려움을 겪던 볼츠만은 1906년 자살하고 말았다.”
(<열과 엔트로피>, pp.121-122)

가난한 군인의 아들로 태어나 어렵게 자란 케플러는 뛰어난 수학적 재능을 갖고 있었다. 케플러가 위대한 관측 천문학자인 티코 브라헤를 만난 것은 그 자신은 물론 천문학 발전을 위해서도 커다란 행운이었다. ……브라헤가 죽자 그의 관측 자료는 케플러에게 넘어갔다. 뛰어난 분석 능력을 가지고 있던 케플러에게 이 자료들은 그야말로 귀중한 보물이었다. ……처음 행성 궤도를 알아낼 것이라고 큰소리를 쳤지만, 실제로 그 일을 해내는 데는 8년이라는 오랜 세월이 걸렸다. 케플러가 화성 궤도를 정하는 데 그렇게 오랜 시간을 보내야 했던 것은 좀처럼 깨뜨리기 힘든 벽을 허물어야 했기 때문이었다. 화성을 비롯한 모든 천체는 원운동을 해야 한다는 고정관념이 가장 큰 장애였다.
(<힘, 운동량, 에너지의 삼각관계>, pp.30-32)