고등학생을 위한 양자역학

루미너리북스 교육출판 에디팅 팀 지음

루미너리북스 2025년 07월 02일 출간

작품소개

책소개

20세기 초 물리학자들이 마주한 흑체복사 문제는 기존 고전물리학으로는 해결할 수 없는 난제였다. 플랑크가 에너지가 불연속적인 덩어리로 방출된다는 혁명적 아이디어를 제시하면서 양자역학이 탄생했다. 이후 아인슈타인의 광전효과 설명, 보어의 원자모델, 하이젠베르크의 불확정성 원리, 슈뢰딩거의 파동방정식을 거쳐 현대 물리학의 핵심 이론으로 자리잡았다. 양자역학은 원자와 분자의 세계를 지배하는 법칙으로, 우리가 사용하는 모든 전자기기와 화학반응의 근본 원리를 제공한다. 이 놀라운 이론은 직관과 상식을 뛰어넘는 현상들을 설명하며, 21세기 과학기술 발전의 원동력이 되고 있다.

이 책은 고등학생도 이해할 수 있도록 양자역학의 모든 개념을 구체적인 사례와 함께 설명한다. 복잡한 수식보다는 물리적 직관과 실험적 배경에 중점을 두어 서술했다. 각 장은 역사적 발견 과정을 따라가며 자연스럽게 개념을 도입하고, 일상생활에서 경험할 수 있는 현상들과 연결지어 설명한다. 흑체복사 문제부터 시작해 파동-입자 이중성, 불확정성 원리, 슈뢰딩거 방정식을 거쳐 현대 양자기술까지 체계적으로 다룬다. 27개 챕터는 각각 독립적으로도 읽을 수 있지만, 순서대로 읽으면 양자역학의 전체 체계를 완전히 이해할 수 있도록 구성되어 있다. 어려운 개념도 친숙한 비유와 구체적인 실험 사례를 통해 명확하게 전달한다.

책에서 다루는 주요 내용은 양자역학의 핵심 원리들과 그것이 적용되는 다양한 물리계들이다. 상자 속 입자와 조화진동자 같은 기본 모델부터 수소원자, 다전자 원자, 분자까지 점진적으로 복잡한 시스템을 다룬다. 전자의 스핀, 각운동량 이론, 동일입자 시스템, 파울리 배타원리 등 양자세계의 독특한 성질들을 상세히 설명한다. 섭동이론과 변분법 같은 근사 방법들과 시간의존 문제들도 포함되어 있다. 원자 분광학과 분자 분광학을 통해 실험과 이론의 연결고리를 보여주며, 고체물리학과 양자통계역학으로 거시적 현상까지 확장한다. 각 주제마다 실제 측정 결과와 이론적 예측을 비교하여 양자역학의 정확성을 입증한다.

현대 기술의 기반이 되는 레이저, 반도체, 초전도체의 동작 원리가 모두 양자역학에서 나온다. 양자터널링은 주사터널링현미경과 터널링 다이오드에 응용되고, 양자얽힘은 양자암호통신의 핵심이다. 최근 주목받는 양자컴퓨터는 큐빗의 중첩상태와 양자병렬처리를 이용해 기존 컴퓨터로는 불가능한 계산을 수행한다. MRI, GPS, 원자시계 등 우리 일상의 필수 기술들도 양자역학 없이는 존재할 수 없다. 미래에는 양자인공지능, 양자센서, 양자통신 네트워크가 새로운 기술 혁명을 이끌 것으로 예상된다. 이 책을 통해 독자들은 현재와 미래 기술의 근본 원리를 이해하고, 과학적 사고력을 기를 수 있을 것이다. 양자역학은 더 이상 물리학자만의 전유물이 아니라 모든 사람이 알아야 할 교양이 되었다.

목차

1. 양자세계의 발견
2. 파동과 입자의 이중성
3. 불확정성 원리
4. 파동함수의 신비
5. 슈뢰딩거 방정식
6. 상자 속 입자
7. 조화진동자
8. 수소원자 모델
9. 전자의 스핀
10. 각운동량 이론
11. 동일입자 시스템
12. 파울리 배타원리
13. 다전자 원자
14. 화학결합 이론
15. 섭동이론
16. 변분법
17. 시간의존 섭동
18. 선택규칙
19. 원자 분광학
20. 분자 분광학
21. 고체물리학 입문
22. 양자통계역학
23. 레이저와 메이저
24. 양자터널링
25. EPR 역설과 벨 정리
26. 양자컴퓨터 원리
27. 양자역학의 미래

작가정보

저자(글) 루미너리북스 교육출판 에디팅 팀

루미너리북스 교육 출판 에디팅 팀은 전문 교육 콘텐츠 기획자와 편집자들로 구성되어, 학생들의 눈높이에 맞춘 양질의 교육 도서를 제작하는 데 전념하고 있다. 각 분야별 전문가들과의 긴밀한 협업을 통해 정확하고 이해하기 쉬운 교육 콘텐츠를 개발하며, 특히 고등학생을 위한 대학 과목 선행학습 시리즈와 같은 혁신적인 교육 도서를 기획하고 있다.