광전 효과와 광자 · PhotonLab

광전 효과

금속 표면에 빛을 비추면 금속 속 전자가 표면 밖으로 튀어나올 수 있습니다. 이 현상을 광전 효과, 튀어나온 전자를 광전자라고 합니다. 1887년 헤르츠가 전자기파 실험을 하다가 처음 알아챘습니다.

아연판을 검전기에 연결해 음전하로 대전시키고 자외선 램프를 비추면 박이 천천히 오므라듭니다. 아연판을 양전하로 대전시키거나, 램프와 아연판 사이에 유리를 끼우거나, 아주 센 빨간빛으로 바꿔 보세요.

전기장 속에서 전자가 어떻게 움직이는지는 FieldLab에서 볼 수 있습니다.

광전관과 전류–전압 특성

빛이 광전관의 음극 K에서 광전자를 튀어나오게 하고, 양극 A가 이를 모아 광전류가 됩니다. 정방향 전압을 걸면 전류가 늘어 포화 전류에 이른 뒤 더 늘지 않고, 역방향 전압을 걸면 전류가 줄어 어떤 전압에서 0이 됩니다. 이 전압을 저지 전압 Uc라고 합니다.

실험 결과: 금속마다 한계 진동수가 있어서, 입사광의 진동수가 그보다 낮으면 빛이 아무리 세도 광전자가 나오지 않습니다. 광전자의 최대 운동 에너지는 진동수가 클수록 커지고 빛의 세기와는 무관합니다. 빛이 셀수록 포화 전류가 큽니다. 광전자는 거의 즉시 방출됩니다. 아인슈타인은 광자로 설명했습니다: Ek = hν − W₀.

여기서 빛의 세기는 입사광의 일률을 뜻합니다. 일률이 같으면 진동수가 높을수록 광자 하나의 에너지가 커서 광자 수는 오히려 적습니다.

플랑크 상수 측정

eUc = hν − W₀에서 Uc = (h/e)ν − W₀/e를 얻습니다. 저지 전압은 진동수의 일차 함수이고, 기울기는 h/e, 가로축과 만나는 점은 한계 진동수입니다. 1916년 밀리컨은 아인슈타인의 식을 반박하려다 오히려 그것을 정밀하게 입증했습니다.

수은 스펙트럼선 하나를 골라 역방향 전압을 천천히 올리다가 검류계 바늘이 막 0으로 돌아올 때의 전압을 기록하세요. 스펙트럼선 3개 이상을 기록한 뒤 직선을 맞추세요. 음극 금속을 바꿔 두 직선을 비교해 보세요.

빛의 파동–입자 이중성

광전 효과는 빛의 입자성을, 간섭과 회절은 빛의 파동성을 보여 줍니다. 빛을 약하게 해서 한 번에 광자 하나만 이중 슬릿을 지나게 하면, 광자는 하나하나 스크린에 점 하나만 찍고 어디에 떨어질지 예측할 수 없습니다. 그런데도 많은 광자의 점이 모여 간섭무늬를 이룹니다. 광자가 각 위치에 떨어질 확률은 빛 파동의 세기가 정합니다.

드브로이는 전자 같은 물질 입자도 파동성을 가지며 파장이 λ = h/p라고 제안했습니다. 전자선을 흑연 박막에 통과시키자 형광 스크린에 회절 고리가 나타나 물질파가 확인되었습니다.

이중 슬릿의 파동 광학은 OpticsLab에서 볼 수 있습니다.

형성 평가

네 가지 주제를 되돌아보고 아래 객관식 문제를 풀어 보자.