광전 효과

플랑크가 양자론을 발표한 지 5년이 지난 1905년에 독일 출신 미국 물리학자인 아인슈 타인(Albert Einstein)은 양자론을 사용하여 또 다른 물리학의 수수께끼였던 광전 효과 (photoelectric effect)를 설명하였다. 

 

광전 효과는 문턱 진동수(threshold frequency, 그림 7.4)라고 부르는 적당한 최소 진동수 이상을 가진 빛을 특정한 금속 표면에 쪼이면, 전자가 방출되는 현상이다. 

방출되는 전자의 수는 빛의 강도(또는 밝기)에 비례하였으나, 방출되는 전자의 에너지는 비례하지 않았다. 문턱 진동수 이하에서는 빛의 세기가 아무리 세더라도 전자는 방출되지 않았다.

광전 효과는 빛의 파동 이론으로 설명될 수 없다. 

그러나 아인슈타인은 특이한 가정을 하였다. 

그는 빛살을 입자의 흐름으로 제안하였다. 

이러한 빛의 입자는 광자(photon)라고 한다.

아인슈타인은 복사선에 대한 플랑크의 양자론을 기초로 하여, 광자는 다음 식으로 주어지는 에너지 E를 가져야 한다고 추론하였다.
E = hv

그림7.4 광전 효과를 연구하는 장치. 진동수가 일정한 빛을 깨끗한 금속 표면에 비춘다. 방출된 전자들ㅇ은 양극 쪽으로 끌려간다. 전자의 흐름을 검출기로 측정한다.

 

전자는 인력에 의하여 금속 안에 잡혀 있으며, 그들을 금속으로부터 제거하여 자유롭게 떼어놓는 데는 충분히 높은 진동수(충분히 높은 에너지에 해당됨)를 가진 빛을 필요로 한다.

빛을 금속 표면에 쪼이는 것은 입자(광자)의 살을 금속 원자에 쏘는 것으로 생각할 수 있다.

 

만약 광자의 진동수를 이용하여 계산한 hi가 금속 내의 전자를 구속하는 에너지와 정확히 같다면, 그 빛은 전자를 떼어낼 만큼의 에너지를 갖게 된다.

진동수가 더 높은 빛을 사용한다면, 신사들은 느슨해질 뿐만 아니라 얼마간의 운동 에너지를 얻게 될 것이다.

이러한 현상은 다음 식으로 요약된다.

여기서 KE는 방출되는 전자의 운동 에너지이고, W는 일함수(work function)로 전자가 얼마 나 강하게 금속에 잡혀있는가를 나타낸다. 식 (7.4)을 다음과 같이 다시 쓰면
KE = hv – W
이 식은 광자의 에너지가 크면 클수록(즉, 진동수가 크면 클수록), 방출하는 전자의 운동 에너지는 더 커진다는 것을 보여준다.
이제 같은 진동수(문덕 진동수 보다 큰)를 갖고 있으나, 세기가 다른 두 빛살을 생각해 보자. 

더욱 강한 빛살은 보다 많은 수의 광자들로 구성되어 있다. 결국 이 빛은 금속 표면으로 부터 보다 약한 빛살보다 더욱 많은 전자를 방출하게 된다. 따라서 빛의 강도가 크면 클수록 목표 금속에 의하여 보다 많은 수의 전자를 방출시키게 되고, 빛의 진동수가 높으면 높을수록 방출하는 전자의 운동 에너지는 더욱 커진다.