광전효과

광전 효과 

광전 효과 실험 장치는 그림 III- 30과 같이 음극과 양극이 서로 떨어진 광전관에 전압을 걸어 줄 수 있게 되어 있다. 광전관에 전압을 걸어 주어도 음극과 양극이 서로 떨어져 있기 때문에 전류는 흐르지 않는다. 그러나 광전관에 빛을 비추면 전류가 흐른다. 이러한 현상이 나타나는 까닭은 무엇인지 좀 더 자세히 알아보자.

 

 

앞에서 한 광전 효과 실험에서 광전관 안에 서로 떨어져 있는 음극과 양극 사이에 전류가 흐르는 현상이 나타났다. 이것은 음극에서 양극으로 전자가 이동하였기 때문이다. 즉, 그림 III- 31과 같이 금속판에 빛을 쪼였을 때 금속 내부의 전자들이 튀어 나왔음을 알 수 있다.

 

일반적으로 광전 효과 실험 장치의 구조는 그림 III-`32와 같다. 광전관 속 음극인 금속판에 특정한 진동수 이상의 진동수를 비추면 금속판에서 전자가 방출되어 양극에 도달한다. 이렇게 방출된 전자가 전류계에서 전류로 측정된다.

 

  

 

 

이와 같이 금속판에 특정 진동수 이상의 진동수를 가진 빛을 쪼여 주면 금속판 안에 있던 전자들이 튀어나오는 현상을 광전 효과라고 하며, 이때 튀어나오는 전자를 광전자라고 한다. 광전 효과 실험으로 다음과 같은 사실이 밝혀졌다.

 

1. 금속 표면에 쪼여 주는 빛의 진동수가 문턱 진동수라는 특정한 값보다 작으면 아무리 센 빛을 쪼여 주어도 광전자가 방출되지 않는다. 2. 광전자의 운동 에너지는 빛의 세기와는 관계가 없고 빛의 진동수에 비례한다. 3. 쪼여 주는 빛의 진동수가 문턱 진동수보다 크면 즉시 광전자가 방출되며, 단위 시간에 방출되는 광전자의 수는 빛의 세기에 비례한다.

그렇다면 광전 효과는 왜 나타나는 것일까? 빛이 파동의 성질만 가지고 있다면 진동수가 작더라도 세기가 센 빛을 쪼여 전자에 많은 에너지를 주거나, 오랫동안 쪼여 주면 광전자가 방출되어야 한다. 그러나 광전 효과 실험에 의하면 광전자가 방출되느냐 방출되지 않느냐는 빛의 진동수에만 관계가 있다. 즉, 특정 진동수 이하의 빛은 아무리 강하게 쪼여 주어도 광전자가 방출되지 않으며, 특정 진동수 이상의 빛에서는 아무리 약한 빛이
라도 쪼여 주는 즉시 광전자가 방출된다. 이와 같이 빛을 파동으로 생각하면 광전 효과를 설명할 수 없다.

 

이러한 사실을 설명하기 위해 아인슈타인은 플랑크의 이론을 받아들였다. 플랑크는 “열복사 에너지는 불연속적인 값을 갖는다.”는 양자 가설을 제안하였다. 1905년 아인슈타인은 플랑크가 제안한 양자 가설을 이용하여“빛은 진동수에 비례하는 에너지를 갖는 광자(광양자)라고 하는 입자들의 흐름이다.”라는 광양자설로 광전 효과를 설명하였다. 광양자설에 의하면 진동수 f인 광자의 에너지 E=hf(h: 플랑크 상수)이다.

 

빛에 의해 전달되는 에너지는 연속적이 아니라 광자들이 갖는 에너지의 정수배로 이루어지는 불연속적인 값을 갖는다. 즉, 진동수가 큰 광자가 금속 내의 전자와 충돌하여 에너지를 전해 주면 즉시 전자가 방출된다. 진동수가 작아 광자의 에너지가 작으면 빛이 세어도 전자가 나오지 않는다.

 

 

광전효과 동영상