광전 효과

금속 판에서 전자의 방출을 도시한 그림, 들어오는 광자에서 얻어진 에너지가 물질의 일함수 이상필요하다.

광전 효과(光電效果, 독일어: photoelektrischer Effekt, 영어: photoelectric effect)는 금속 등의 물질이 고유의 특정 파장보다 짧은 파장을 가진 (따라서 높은 에너지를 가진) 전자기파를 흡수했을때 전자를 내보내는 현상이다.

알베르트 아인슈타인이 이 현상을 빛의 입자성을 가정함으로써 설명하였으며 그 공로로 1921년에 노벨 물리학상을 수상했다.

수학적 기술

플랑크의 양자화 개념과 에너지 보존 법칙을 이용하면 광전효과에서의 광전자 방출에 대한 아인슈타인의 식을 구할 수가 있다. 전자가 튀어나오는 순간 물질 고유의 특정 파장을 한계 파장이라 하며, 그때의 진동수를 한계 진동수(문턱 진동수)라고 한다. 그리고 그 한계 진동수에 플랑크 상수를 곱한 것을 일함수라 일컫는다. 입사한 광자의 에너지가 $h\nu$일 때, 금속에서 전자를 떼어내고 남은 에너지는 전자의 운동에너지가 된다. 즉, 에너지 보존 법칙에 따라 다음 등식이 성립한다.

$h{\nu} =$ 일함수 + 운동에너지

$h{\nu} = {\phi}+{{1}\over{2}}m{v^2}=h{{\nu}_0}+{{1}\over{2}}mv^2$

${{1}\over{2}}m{v^2} = h{\nu}-h{{\nu}_0}= -eV_s$

($V_s$ 는 정지 전위, $m$ 은 전자의 질량, $v$는 방출된 전자의 속도, $h$는 플랑크 상수)

이 식으로부터 입사한 광자의 에너지가 일함수보다 작으면 입사한 빛의 세기에 관계없이 전자가 방출되지 않는다는 사실을 알 수 있으며, 윗식을 진동수(${\nu}$)와 정지 전위($V_s$)에 관한 그래프로 나타내면 이는 방정식

${\nu}={{\nu}_0}+(-{{e}\over{h}}){V_s}$

로 나타내어지는 직선형임을 알 수 있다. 이 때 그 직선의 기울기는 $-{{e}\over{h}}$값으로 항상 일정하다는 사실을 통해 플랑크 상수 $h$의 값을 구할 수 있다.

역사

초기의 관측

1839 년에 베크렐은 빛에 노출된 전도 용액을 통해 광전 효과를 관찰하였다. 1873년에, 윌룩비 스미드가 셀레늄이 광전도성임을 발견하였다.

광전효과와 고전물리의 한계

고전물리이론은 광전효과를 설명할 수 없는 명백한 한계를 가지고 있었다.

• 광전효과는 순간적으로 일어난다는 점이다.

고전물리이론에서는 에너지가 골고루 분배되기 때문에 에너지를 가하고 일정시간이 지나야 전자가 튀어나올 것이라고 예측할 수 있다. 하지만 광전효과는 빛을 가하는 순간에 일어나는 특성을 보인다.

• 전자가 가지는 운동에너지는 광량과 무관하다.

고전물리이론에서는 빛이 가지는 에너지는 파장과 광량과 관계되어 있다고 보았다. 즉 빛의 파장이 짧을수록 빛이 많은 에너지를 가지고 있고 빛의 양이 많을수록(광량이 높을수록) 많은 에너지를 가지고 있다고 생각하였다. 하지만 광전효과로 인해 튀어나오는 전자의 운동에너지는 광량과 전혀 관계가 없었을뿐더러(광량과 관계가 있는 것은 전자가 튀어나오는 개수와 관계가 있다) 특정 파장 이하의 빛을 가하게 되면 아무리 광량이 높더라도 전자가 튀어나오지 않는 모습을 보였다. 이는 고전물리이론에서 광량을 에너지로 설명하던 것이 광전효과에서는 통하지 않게 된 것이다.

• 빛과 관련된 당시의 지배적인 관점이던 파동설로 설명할 수 없었던 점이다.

빛을 파동으로 생각하였던 당시의 관점에서는 빛이 충돌하여 전자를 튕겨나오게 하는 것에 대해 설명할 수 없었다.

응용과 효과

포토다이오드 와 포토트랜지스터

태양 에너지 발전에 사용되는 솔라 셀과 포토다이오드는 다양한 광전 효과를 이용한다. 그러나, 전자를 방출하는 것을 이용하는 것은 아니다. 반도체에서는 가시 광선의 광자와 같이 상대적으로 낮은 에너지의 빛이 최외각 밴드의 전자를 더 높은 에너지의 전도 밴드로 차낼 수 있으며 그곳에서 그들은 메여서 전류를 발생시키키는데 밴드갭 에너지와 관련된 전압때문이다.

달의 먼지

달의 먼지에 태양빛이 부딪치면 그 먼지는 광전 효과에 의해서 전하를 띄게 된다. 전하를 띈 먼지는 서로 척력을 작용하며 이 척력이 일으키는 정전기 부양에 의해 달의 중력을 이기고 달 표면에서 떠오른다. 이는 지구의 공기중에 낀 먼지와 같은 형태 혹은 얇은 안개와 아지랑이의 형태로 관측되며 해가 진 후의 어렴풋한 빛을 받고 눈에 보인다. 이것은 1960년 서베이어 프로그램 탐사선으로 처음 촬영되었다. 그 먼지들이 전하를 띄고 잃는 것을 반복하면서, 제일 작은 입자들은 달 표면에서 1km 상공까지 상승했다가 다시 달 표면으로 떨어지기도 한다.

참고 문헌

• Serway, R. A. (1990). Physics for engineers and scientists, 3^rd ed. Saunders Publishing
• Stephen T Thornton, Andrew Rex. (2006) Modern Physics for Scientist and Engineers , 3^rd ed. Thomson& Brooks/Cole

바깥 고리

• 네이버 캐스트 - 빛의 이중성