광전효과란 어떤 현상입니까?
광전 효과(photoelectric effect)]
금속 등의 물질이 고유의 특정 파장보다 짧은 파장을 가진 (따라서 높은 에너지를 가진) 전자기파를 흡수했을 때 전자를 내보내는 현상이다. 즉, 금속에 빛을 쬐어주었을 때 그 빛이 특정진동수 이상이 되면 금속판 안에서 전자들이 튀어나오는 현상인 것이다.
▲ 광전효과를 관찰하기 위한 회로도
빛이 접시 E에 도달하면 광전자가 접시에서 방출된다. 방출된 전자는 C에 모이기 되어 회로에 전류를 형성한다.
알베르트 아인슈타인이 이 현상을 빛의 입자성을 가정함으로써 설명하였으며, 그 공로로 1921년에 노벨 물리학상을 수상했다. 여기서 튀어나온 전자를 광전자라고 하고, 특정 진동수는 한계 진동수라고 부른다. (이 한계진동수는 금속의 종류마다 다르다.)
▲ 광전효과를 처음 발견한 헤르츠와 그를 발전시킨 알버트 아인슈타인
과학자들이 광전효과를 연구한 결과 여러 가지 성질들을 밝혀내게 되는데, 다음과 같다.
- 빛의 진동수가 한계진동수보다 작으면 아무리 빛의 세기가 세도 광전효과는 일어나지 않는다.
- 빛의 진동수가 한계진동수보다 크면 아무리 빛의 세기가 작아도 광전효과는 일어난다.
- 광전자의 운동에너지는 빛의 진동수에 따라서만 결정된다.
- 발생하는 광전자의 수는 빛의 세기에 비례한다.
이런 성질들이 밝혀질 때까지만 해도 빛은 회절과 간섭현상으로 인한 파동으로 인식되고 있었다.
그러나 위의 성질들을 빛의 파동으로 해석하려고 하면 아래와 같은 모순들이 발생하게 된다.
- 빛이 파동에너지라면, 파동에너지는 진폭(세기)의 제곱에 비례하지만 위의 성질 1번에서는 세기와는상관이 없다.
- 빛의 세기가 셀수록 광전자의 운동에너지의 운동에너지는 커져야 하나 2번에 위배된다.
- 세기가 약한 빛을 비추어 준다면 광전자가 방출되는데 시간이 걸려야 되나 실제로는 그렇지 않고 바로 방출된다.
이렇게 빛이 파동이라고 생각했을 때에 광전효과는 여러 모순점을 가지게 된다. 그래서 여기서 아인슈타인이 플랑크의 가정을 발전시켜 새로운 주장을 하게 되는데, 바로 광양자설이다.
[광양자설]
빛은 파동이 아닌 입자로 이루어져 있으며 불연속적인 에너지 분포를 갖기 때문에 높은 진동수의 약한 빛과 낮은 진동수의 센 빛의 총 에너지양은 같지만 두 번째 빛은 광전효과를 일으킬 수 없다는 것을 뒷받침한 가설이다.
아인슈타인은 빛이 연속적인 파동의 흐름이 아니라고 보았다. 그리고 빛은 광자(Photon)라는 입자의 흐름이라고 보았다. 이 광자 하나하나의 에너지는 빛의 진동수에 의해서 결정되고, 빛의 세기는 광자의 개수라고 한다. 기호로 나타내자면 아래와 같다.
(진공에서의 광속 C, 광자의 에너지 E, 운동량 p, 진동수 f, 파장 λ(람다), 플랑크상수 h)
이 광양자설로 광전효과를 다시 해석해본다면, 빛이 가지고 있던 에너지는 금속의 자유전자와 충돌하면서 전자에게 전해지고 에너지를 가진 그 전자는 튀어나오게 된다. 이때 전자가 튀어나오는데 필요한 최소한의 에너지는 그 금속의 일함수라고 한다.
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