광전 효과

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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 입자성을 가정함으로써 설명하였으며,[1] 그 공로로 1921년노벨 물리학상을 수상했다.

방출 매커니즘[편집]

광자 방출 과정(photoemission process)에서, 어떤 물질 내의 전자가 일함수(work function) 이상의 광자 에너지를 흡수하면 빛이 방출된다. 광자의 에너지가 너무 낮으면, 전자는 물질을 벗어날 수 없다. 비춰지는 빛의 세기가 커지는 것은 광자의 수가 늘어난다는 뜻이므로 더 많은 수의 전자를 들뜨게 만들지만 각각의 전자가 가지는 에너지를 증가시키지는 않는다. 방출된 전자의 에너지는 쪼여주는 빛의 세기가 아니라 각각의 광자의 에너지 혹은 진동수에 영향을 받는다. incident 광자와 outermost 전자 사이의 상호 작용이다. 전자는 irradiate되었을 때 광자에게서 에너지를 흡수할 수 있으나, 대부분 전자들은 "1 혹은 0(흑백논리, all or nothing)"의 원리를 따른다. 한 광자의 모든 에너지는 원자적 결합에서 한 전자를 자유롭게 하는 데 쓰이고, 남은 에너지는 방출된다. 만약 광자 에너지가 흡수되면 에너지의 일부는 원자에게서 전자를 떼어내는 데 쓰이고 나머지는 자유 입자로서 전자의 운동 에너지에 기여한다.

광전 효과의 실험적 관측[편집]

광전 효과는 빛이 쪼여진 금속 표면에서 전자의 방출 관측 실험을 설명할 수 있어야 한다. 어떤 금속에서, 광전자를 방출시킬 수 있는 특정 최소 진동수가 있다. 이 진동수는 문턱 진동수(한계 진동수, threshold frequency)라고 불린다. 입사되는 광자의 수를 고정시키고 입사광선의 진동수를 늘린다면(이 때 빛의 에너지는 증가할 수 있다) 방출된 광전자의 최대 운동 에너지를 크게 할 수 있다. 따라서 정지 전압(stopping voltage)이 커진다. 만약 빛의 세기가 커진다 하더라도 광전자의 운동 에너지에는 영향이 없다. 문턱 진동수 이상에서는 광전자의 최대 운동 에너지는 빛의 진동수에 따라 다르고, 빛의 세기가 아주 높지 않은 이상 이와는 독립적이다. 주어진 금속과 빛의 진동수에서, 어떤 광전자가 방출될 비율은 빛의 세기와 직접적으로 proportional하다. 빛의 세기를 늘리면 정지 전압은 그대로 유지되나 광전류의 세기를 늘린다. 빛의 입사와 광전자의 방출 사이의 시간 차는 1㎱ 이하로 매우 작다.

수학적 기술[편집]

일함수[편집]

금속 표면에서 전자를 떼어내기 위해 필요한 최소한의 에너지를 일함수라고 한다. 일함수는 \varphi, W 혹은 \phi로 표기되기도 하며, \varphi = h\,f_0, 로 나타내어진다. 여기에서 f_0는 각 금속마다의 문턱 진동수이다.

최대 운동 에너지[편집]

방출된 전자의 최대 운동 에너지(K_{\mathrm{max}})는 h가 플랑크 상수, f가 입사된 광자의 진동수일 때 K_{\mathrm{max}} = h\,f - \varphi, 로 나타내어진다. 따라서 방출된 전자의 최대 운동 에너지는 K_{\mathrm{max}} = h \left(f - f_0\right). 이며, 운동 에너지는 양수여야 하므로 광전 효과가 발생하기 위해서는 f > f_0여야 한다.

플랑크양자화 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 진동수한계 진동수(문턱 진동수)라고 한다. 그리고 그 한계 진동수에 플랑크 상수를 곱한 것을 일함수라 일컫는다. 입사한 광자에너지h\nu일 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_s정지 전위, m 은 전자의 질량,  v 는 방출된 전자의 속도, h플랑크 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[편집]

초기의 관측[편집]

1839 년에 알렉산드르 베크렐은 빛에 노출된 전도 용액을 통해 광전 효과를 관찰하였다. 1873년에, 영국의 전기 기사였던 윌러비 스미스(Willoughby Smith)가 셀레늄이 광전도성을 띰을 발견하였다.

파동 입자 문제에의 효과[편집]

광전 효과와 고전 물리학의 한계[편집]

고전 물리학은 광전효과를 설명할 수 없는 명백한 한계를 가지고 있었다.

  • 광전효과는 순간적으로 일어난다는 점이다.
고전 물리학에서는 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.
고전 물리학에서는 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 진동수 이하의 빛을 가하게 되면 아무리 광량이 높더라도 전자가 튀어나오지 않는 모습을 보였다. 이는 고전물리이론에서 광량을 에너지로 설명하던 것이 광전효과에서는 통하지 않게 된 것이다.
  • 과 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[편집]

포토다이오드 와 포토트랜지스터[편집]

태양 에너지 발전에 사용되는 솔라 셀포토다이오드는 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 발생시키는데 밴드갭 에너지와 관련된 전압때문이다.

달의 먼지[편집]

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. [2][3]

참고 문헌[편집]

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

주석[편집]

  1. Einstein, Albert (1905년). Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. 《Annalen der Physik》 322 (6): 132–148. doi:10.1002/andp.19053220607.
  2. - Moon fountains
  3. - Dust gets a charge in a vacuum

바깥 고리[편집]