Ch. 6-4. 양자역학의응용 20 c 이후과학과기술의결합 라디오, TV, 무선통신고체물리 반도체산업초전도체, 자성체레이저 광통신, 정밀측정핵 입자물리학 핵무기, 핵발전 화학공학, 생명과학 ( 공학 ) 1
양자역학의응용 원자의전자궤도 화학결합 : 분자 고체물리 : 도체, 유전체, 반도체, 자성체 Laser 의발명과응용 핵에너지기술 핵무기, 원자로 2
상자안전자의에너지준위 Schrödinger 방정식의해 à 위와같은파동함수 3
수소원자의전자 막의진동운동 모드 (mode) (1,1) mode (1,2) mode (2,1) mode (2,2) mode 파동함수는진동하는끈이나막과같다, 하지만여기서진동은 3차원적이다. 3개의양자수로표현한다. Ý n = 1, 2, 3, Ý l = 0, 1,, n-1 ( 역사적이유로 s, p, d, f 로표시 ) Ý m = -l, -l+1,, l-1, l 4
1s, 2s, 2p 궤도 1s 2s 2p (m = -1, 0, 1) 5
3d, 4f 궤도 Now there are five different configurations corresponding to m = -2, -1, 0, 1, 2 There are seven different configurations corresponding to m = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 6
멘델레예프의주기율표 Properties of the elements repeat periodically as the atomic number is increased, but why? 7
전자의 Spin: Stern-Gerlach 실험 (1922) 은 (Ag) 원자빔이자기장을통과하면서두방향으로갈라진다. 전자가오로지두방향으로만스핀을가지고있음을보인다. 은원자는홀수개의전자를가지고있다. 8
보존과페르미온 보존 (bosons) 은정수배의스핀을가진입자 Ý 광자 ( 스핀 1) 페르미온 (fermion) 은반 (1/2) 정수배의스핀을가진다. Ý 전자, 양성자, 중성자등 보통의물질은페르미온으로이루어져있다. 반면, 복사 (radiation; 빛 ) 는보존이다. 9
Pauli 의배타원리 두개또는그이상의페르미온이같은양자상태, 즉같은양자수를갖는상태에있을수없다. (X) (O) Wolfgang Pauli (1900-1958) fermions 10
원자에너지준위 전자의스핀은업또는다운이다. 두수소원자가합쳐져수소분자를이룰때두개의전자는서로다른스핀을가진다. 파울리배타원리에서 3개의수소원자가수소분자 H 3 를만들수없다. 11
헬륨 (He) 원자 전자두개가 1s 상태에서반대스핀을가지고있다. 파울리배타원리에서더이상전자가 1s 상태에들어갈수없다. ( 닫힌껍질 ) 이때문에헬륨이화학적으로불활성 (inert) 이다. 다른불활성기체도같은경우이다. 12
리튬 (Li) 원자 첫번째두전자는 1s 상태에서갇힌껍질을만든다. 세번째전자는다음상태인 2s 상태로가야한다. 따라서수소와비슷한화학적 성질을가진다. 13
원자의결합 à 분자 + = H ( 원자 ) H ( 원자 ) H 2 ( 분자 ) 전자상태의혼성화 (hybridization) 여러개의원자결합 à 고체, 에너지띠 (band) 14
띠이론 (Band Theory) à 고체물리 양자역학으로도체, 반도체, 부도체의성질을모두설명할수있다. 도체반도체부도체 15
반도체산업 반도체접합 (junction) diode, transistor 집적회로 (Integrated Circuit) - IC, VLSI: 고집적연산및기억소자선폭경쟁 (Moore s law): PC, 휴대폰발달의영향 Intel, HP, Samsung, Texas Instruments, 삼성의성공사례 후발기업의설비투자와특허분쟁 Transistor à 16
First transistor Ge-point contact transistor William Shockley, John Bardeen and Walter Brattain, 1947, Bell Lab 17
VLSI (very-large scale IC) Chip 반도체소재 = Si 결정 18
LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ( 복사의유도방출에의한빛의증폭 ) 레이저매질 : 밀도반전 à 유도방출 ( 형광 > 흡수 ) 공진기구조로결맞은빛의증폭 May 17, 1960: Ted Maiman s first laser ( 매질 = 루비결정 + Cr 3+ ) 19
빛증폭의필수조건 : 밀도반전 방출흡수 B N 1 I > B N 0 I N 1 > N 0 ( 밀도반전 ) Pumping Inversion N 1 Negative temperatu re N 0 Molecules 평형상태에서볼츠만분포 N i ~ exp(-e i /k B T) 상온에서 N 1 / N 0 = exp(-de/k B T) ~ exp(-100) I 0 I 1 I 3 Laser medium I 2 R = 100% with gain, G R < 100% 20
반도체레이저 (Diode Lasers) 반도체소재 = GaAs 결정 응용 : 레이저포인터, CD player, 광통신등 21
초고속정보교환 ( 광섬유통신 ) 전반사이용 광섬유소재 = 석영유리 (SiO 2 ) 22
현대통신용어 bps: bit per second WDM: wavelength division multiplexing ( 파장분할다중화 ) TDM: time division multiplexing ( 시간분할 다중화 ) CDMA: code division multiple access ( 코드분할다중접속방식 ) - Qualcomm 과 ETRI 사이의협력및분쟁 FTTH: fiber to the home ( 시험중 ) 23
정보의시각화 (Display 도구 ) 용도 : 전자계산기, TV, 휴대폰, 영화, 신호등, 선전물, 종류 : CRT (cathode-ray tube) LCD (liquid crystal display) LED (light emitting diode) PDP (plasma display panel) Laser projection (Key issues: 선명도, 전력소모, 얇고넓게..) 24
과학의산업화노력 : 산업체연구소 Bayer (1874) 주로화학자로구성. 염료등개발 Thomas Edison Lab (1876) Standard Oil (1880) General Electrics (1901), Du Pont (1902), Park-Davis (1902), Corning (1908), Bell Labs (1911), Eastman Kodak (1913), General Motors (1919) 산업체연구소들의특징 * 신기술개발보다는기존기술의개량, 확장에주력 ( 기업간경쟁 ) * 발명이필요의어머니 ( 예 ) Xerox 기계, PC 등 신기술 = 응용과학인가? Yes: 통신혁명, Manhattan Project ( 원자폭탄 ) No: Newton 역학만으로우주선항로계산, Henry Ford 의대량생산 25