광전효과 그래프

 

 

광전 효과

 

(1) 광전효과 : 금속 표면에 빛을 비출 때 금속으로부터 전자가 튀어나오는 현상으로, 1887년에 헤르츠가 아연표면에 자외선을 비출 때 전자가 방출되는 사실을 확인하였다.

 

(2) 광전관을 이용한 실험
① 그림과 같이 슬릿을 통하여 광전관에 빛을 비추면 음극을 이루는 금속에서 전자가 방출되고, 이 전자는 양극에 도달하여 회로에 전류가 흐른다. 이 때 튀어나온 전자를 광전자라고 한다.
② 그림의 P점이 b점에 가까워지면 광전류가 0이 되는 순간이 있으며, 이 때의 전압을 정지전압(V₀)이라고 한다. 음극에서 방출된 광전자의 최대운동에너지 E_k는 정지전압이 클수록 크다.

③ 광전류와 양극전압의 관계

  - 빛의 세기와 관계없이 진동수가 큰 빛의 정지 전압이 더 크다.
  - 빛의 진동수가 같은 경우 빛의 세기가 강할수록 광전류가 세다.

 

(3) 광전 효과 실험결과
① 금속에 비추는 빛의 진동수가 특정한 값(f₀)보다 커야 금속에서 광전자가 방출된다. 이 f₀ 값을 한계 진동수라고 하며, 금속의 종류에 따라 그 값이 다르다.

② 한계 진동수보다 작은 진동수의 빛은 아무리 세어도, 그리고 오랜 시간을 비추어도 광전자가 방출되지 않는다.

③ 한계 진동수 이상의 빛을 비추면 빛의 세기에 관계없이 빛을 비추는 즉시 광전자가 방출된다.

④ 방출된 광전자의 최대운동에너지는 빛의 세기와는 무관하고, 빛의 진동수에만 관계된다.
⑤ 동일한 진동수의 빛일 경우 방출되는 광전자의 수는 빛의 세기에 비례한다.

 

 

(4) 광양자설 : 1905년 아인슈타인 (Albert Einstein)은 '빛은 연속적인 파동에너지의 흐름이 아니라 광양자라고 부르는 불연속적인 에너지를 가진 입자의 흐름이다.'라는 광양자설로, 파동성으로 설명이 되지 않는 광전효과를 해석하였다.

 

 
- 광양자 1개의 에너지 : 진동수가 f이고 파장이 λ인 광양자 1개의 에너지는 다음과 같으며, 빛의 세기는 이 광양자의 수에 비례한다.

 

 

 

(5) 광양자설에 의한 광전효과의 해석
- 일함수 : 진동수가 f인 빛을 비추면 hf의 에너지를 가진 광양자가 금속 안의 자유 전자와 충돌하여 에너지 전부를 전자 1개에 주기 때문에 위치에너지의 장벽에 갇힌 전자를 튀어나오게 할 수 있다. 이 때 금속 내부의 전자를 외부로 떼어내는데 필요한 최소한의 에너지를 일함수(W)라고 한다. 이 일함수와 에너지의 양이 같은 광양자의 진동수와 파장을 각각 한계 진동수 (f₀)와 한계 파장( λ₀ )이라고 한다.

 

 

- 광전자의 최대운동에너지와 진동수

 

 
그림에서와 같이 금속에 비춘 빛의 진동수를 f라고 하면, 금속 밖으로 나온 광전자의 최대운동에너지 E_k는 다음과 같다.

  

 

- 광전효과 동영상