1. 개요
光電效果 / Photoelectric effect금속 등의 물질이 빛에 쪼이면, 전자를 방출하는 현상.
2. 상세
금속 내의 전자는 원자핵의 [math((+))]전하와 전기력에 의해 속박되는데, 여기에 일정 진동수 이상의 빛을 비추었을 때 광자가 전자와 충돌하게 된다. 즉 광자와 충돌한 전자가 금속으로부터 튀어나오는 현상이라고 할 수 있다. 빛이 전자기파 그 자체라는 고전물리학의 패러다임으로는 설명할 수 없었던 현상이며[1] 알베르트 아인슈타인이 광양자설을 통해 빛의 입자성을 제시하면서 마침내 규명되었다. 그는 빛이란 하나하나가 진동수에 비례한 에너지를 지닌 입자의 집합이라고 보았는데 광전효과 실험을 완벽하게 설명했다.광전효과는 1887년 하인리히 루돌프 헤르츠의 음극선 실험 도중 발견되었으나 당시에 전자기학에서는 이미 빛이 파동이라는 결론이 나온 상태여서 설명할 수 없는 현상이었다. 그로부터 10년 뒤인 1897년에 필리프 레나르트의 음극선 실험에 의해서 정확하게 관측이 되었고, 러시아의 스톨레토프가 광전효과를 이용한 논문을 써내면서 광전효과의 1법칙을 정립해내게 되고 현대물리의 핵심적인 문제로 부상하게 된다. 그리고 1905년에 이르러 아인슈타인은 플랑크의 양자가설을 바탕으로 광전효과를 설명하는 데 성공한다.
흔히 아인슈타인의 최대 업적은 상대성 이론이라고 하지만 광전효과를 설명한 광양자설 또한 만만치 않게 거대한 업적으로 평가 받는다. 광양자설을 다른 물리학자가 세웠으면 그걸 제1업적으로 해서 지금까지 이름을 남기고 있었어도 이상하지 않을 정도다. 고전물리학을 뒤집은 일대의 센세이션이었을 뿐만 아니라 현대 물리학의 주요한 테마인 양자역학의 시초이기도 하다.
광전효과의 규명은 기존에 주류를 차지하고 있던 빛의 파동성을 반박하였고 사장되다시피 했던 입자설을 복권하였다. 본래 빛이 파동의 형태인지 아니면 입자의 형태인지에 대한 논쟁은 물리학계에서 아주 오래된 논쟁이었다. 광전효과의 규명을 통해서 최종적으로 빛은 파동과 입자의 성격을 모두 가진다는 이중성을 인정받는 계기가 되었는데, 훗날 여기에 영향을 받은 드 브로이는 광자뿐 아니라 다른 물질(입자) 또한 파동성을 동시에 지닐 수 있다는 물질파 이론을 내놓는다.
아인슈타인은 광전효과에 따른 광양자설과 이론물리학에 기여한 업적으로 1921년 노벨물리학상을 수상한다.[2]
3. 이론
광전효과는 금속에 속박(구속)된 전자가 빛에 쪼이면 에너지를 얻어 방출되는 현상이다. 이때 빛에 쪼이고 방출된 전자를 '광전자'라고 한다. 광양자설에서 빛은 연속적인 파동이 아닌 알갱이의 형태인 양자로 보며 빛의 양자를 '광양자' 또는 '광자'라고 한다. 광자가 가지는 에너지는 다음과 같다. 진동수 [math(\nu)]인 광자의 에너지는
[math(\displaystyle E=h\nu )]
와 같이 주어진다. [math(h)]는 플랑크 상수이다.
이제 (가)와 같이 금속에 진동수 [math(\nu)]인 빛을 투과시킨다. 이때, 금속은 자신만의 고유한 일함수 [math(W)]를 가진다. 일함수란 금속 표면에서 전자가 빠져나가기 위한 최소한의 에너지라 정의할 수 있다. 빛을 쬐여 속박돼있던 전자가 방출될 때 전자의 에너지는 빛의 에너지에서 금속의 일함수를 뺀 값이 된다.
[math(\displaystyle E=h\nu-W )]
이제 방출된 전자는 운동 에너지 형태로 위 에너지를 갖게 된다. 즉,
[math(\displaystyle \begin{aligned} T &=h\nu-W-\delta \end{aligned})]
[math(\delta)]는 전자가 빠져나오면서 잃은 에너지이다. 따라서 전자의 최대 운동 에너지는
[math(\displaystyle \begin{aligned} T_{\sf max} &=\frac{1}{2}mv_{\sf max}^{2} \\&=h\nu-W \end{aligned})]
이고, 방출된 전자는 [math([0,\,v_{\sf max}])]의 속력 분포를 가진다.
그런데, 위 식을 보면, [math(\nu)]와 [math(W)]는 고정된 값이므로 이것은 상수이다. 따라서 외부 요인에 관계 없이 전자의 최대 운동 에너지는 광원과 금속의 종류에 따라서만 결정된다.
(나)는 실험에 이용되는 광전관의 모습이다.
3.1. 광전효과 실험
이제 다음과 같은 실험을 한다고 하자. (나)의 광전관은 아래의 그림과 같이 단순화할 수 있다.이 실험에서 가변 전원을 이용하여 역전압을 걸수도 있고, 순전압을 걸수도 있다.
인가 전압을 [math(V)]라 하자. 순방향일 때는 양의 부호, 역방향일 때는 음의 부호를 붙인다.
이때, 전류계에서는 광전류가 관측될 것이며, 전압계에서는 인가 전압이 관측된다.
- 역방향 전압을 걸면 금속에서 나온 전자들은 역방향 전기력을 받으므로 양극선에 도달하는 전자의 수가 줄거나 그 전압의 절댓값이 높을 경우 아예 도달하지 않는다.
- 순방향 전압을 걸면 금속에서 나온 전자들은 순방향 전기력을 받으므로 양극선에 도달하는 전자의 수는 역방향 때보다 늘어난다.
이때, 역방향부터 전압을 걸어 광전류가 흐르게 되는 순간의 전압을 저지 전압이라 하며, [math(-V_{0})]라 쓴다.
우선 금속에서 방출되는 단위 시간 당 전자의 개수를 [math({\rm d}n/{\rm d}t)]라 한다면, 이 값은 인가 전압과 무관하며, 빛의 진동수 및 세기에 의해서만 결정된다. 또한, 회로는 정상 상태로써 흐르는 전류는 [math(e\,{\rm d}n/{\rm d}t)]로 같다.
만약 어느 정도 이상의 순방향 전압을 걸면, [math({\rm d}n/{\rm d}t)]는 포화되고, 전압을 늘려도 광전류는 변함없을 것이다.
3.1.1. 빛의 세기
- 만약 진동수가 같은 빛을 사용한다고 하자. 세기가 늘어나면, 광원에 포함된 광자의 개수가 늘어나므로 더 많은 전자가 튀어나올 수 있다. 이 때문에 [math({\rm d}n/{\rm d}t)]는 커지므로 광전류는 증가한다.
- 다만, 이 경우에도 저지 전압은 같다. 즉, 금속 내부의 전자가 방출되게 하려면 특정 진동수 이상의 빛이 필요하다는 사실을 알 수 있다.
3.1.2. 빛의 진동수
- 빛의 진동수가 달라지면, 저지 전압은 달라진다.
- 진동수가 큰 빛일수록 빛의 에너지는 증가하므로 [math(T_{\sf max})]는 증가한다. 따라서 전자가 음극선에 도달하지 않으려면 더 큰 인가 역방향 전압을 걸어야 하므로 저지 전압의 절댓값은 더 커진다.
- 빛의 세기가 같다면, [math({\rm d}n/{\rm d}t)]는 같으므로 광전류의 최댓값은 일정할 것이다.
4. 브라이언 그린의 비유
브라이언 그린은 저서 엘러건트 유니버스에서 다음과 같은 우화로 비유했다.어떤 왕이 있습니다. 왕은 커다란 하나의 방에 무한에 가까운 사람들을 몰아넣었습니다. 그런데 왕은 어린이(전자)들을 너무 싫어해서, 15세 이하의 어린이들은 모두 방에서 내보내어, 반지하인 감옥(금속판)에 집어넣었습니다. 방에 남은 어른들은 창 밖으로 어린이들이 갇혀있는 것을 볼 수 있습니다.
어른(광원)들이 왕에게 어린이들을 내보내달라고 항의합니다. 그러자 왕은, 어린이들이 감옥의 간수에게 8천 원(문턱진동수=일함수)을 내면 내보내주겠다고 말합니다. '어린이들에게 돈(에너지)이 있을 리가 없지 않느냐'는 말에, 왕은 '어른들이 창 밖으로 돈을 던져주면 되지 않겠는가'라고 이야기합니다. 그 말을 들은 어른들은 어린이들에게 돈을 던져주기(광자의 충돌)로 합니다.
그런데 어른들이 무한에 가깝게 있는 것처럼, 어린이들도 무수히 많이 있습니다. 어린이들은 감옥에서 나가기 위해 서로 돈을 받으려고 할 테죠. 그래서 한번 돈을 받은 어린이는 다른 어린이에게 밀려 다시 돈을 받을 기회를 잡기가 어려워집니다.
이때, 어린이들이 확실히 감옥에서 나올 수 있도록 하기 위해서는 어떻게 해야할까요?
바로, 8천 원 이상의 지폐를 던져주는 겁니다.
8천 원이 되지 않는, 각종 동전이나 1천 원, 5천 원짜리 지폐(낮은 진동수: 에너지가 작은 빛)는 아무리 던져줘도 소용이 없습니다. 어린이들이 제각기 1천 원, 5천 원씩 가지게 되지만, 그 돈으로는 나갈 수도 없고, 돈을 받을 기회가 한 번밖에 없으니 그 돈을 모을 수도 없습니다. 그러니, 아예 처음부터 1만 원, 5만 원짜리 지폐(높은 진동수: 에너지가 큰 빛)를 던져주면, 그 돈을 곧바로 간수에게 지불하여 나갈 수 있게 됩니다.
본문과는 조금 다른 비유이나, 전체적인 형식에서는 같으므로 이해를 돕는 데 무리가 없을 것이다.어른(광원)들이 왕에게 어린이들을 내보내달라고 항의합니다. 그러자 왕은, 어린이들이 감옥의 간수에게 8천 원(문턱진동수=일함수)을 내면 내보내주겠다고 말합니다. '어린이들에게 돈(에너지)이 있을 리가 없지 않느냐'는 말에, 왕은 '어른들이 창 밖으로 돈을 던져주면 되지 않겠는가'라고 이야기합니다. 그 말을 들은 어른들은 어린이들에게 돈을 던져주기(광자의 충돌)로 합니다.
그런데 어른들이 무한에 가깝게 있는 것처럼, 어린이들도 무수히 많이 있습니다. 어린이들은 감옥에서 나가기 위해 서로 돈을 받으려고 할 테죠. 그래서 한번 돈을 받은 어린이는 다른 어린이에게 밀려 다시 돈을 받을 기회를 잡기가 어려워집니다.
이때, 어린이들이 확실히 감옥에서 나올 수 있도록 하기 위해서는 어떻게 해야할까요?
바로, 8천 원 이상의 지폐를 던져주는 겁니다.
8천 원이 되지 않는, 각종 동전이나 1천 원, 5천 원짜리 지폐(낮은 진동수: 에너지가 작은 빛)는 아무리 던져줘도 소용이 없습니다. 어린이들이 제각기 1천 원, 5천 원씩 가지게 되지만, 그 돈으로는 나갈 수도 없고, 돈을 받을 기회가 한 번밖에 없으니 그 돈을 모을 수도 없습니다. 그러니, 아예 처음부터 1만 원, 5만 원짜리 지폐(높은 진동수: 에너지가 큰 빛)를 던져주면, 그 돈을 곧바로 간수에게 지불하여 나갈 수 있게 됩니다.
5. 분류
광전효과는 식으로 볼 때는 하나지만 엄밀히 분류하면 몇 가지의 현상으로 분류할 수 있다.- 광이온화
알파선, 감마선 등과 같은 비교적 파장이 짧은 빛을 쪼였을 경우 기체분자의 원자가 전자를 내놓으면서 이온화 하는 현상.[3] 광이온화가 외부광전효과와 다른 것는 덩어리 물질이 아닌 원자, 분자에서 전자를 떼는 현상인 것이라 할 수 있다. 이에 따라 전자를 떼기 위해 이온화에너지가 필요한지, 일함수가 필요한지가 달라진다.
이걸 이용한 저온 플라즈마 발생법이 연구 중에 있다.
- 외부광전효과
가장 주요한 광전효과. 위에서 말한 초기 광전효과의 실험에서의 관측은 거의 이 영역에서 이루어졌다.
한계진동수보다 큰 진동수의 빛은 빛의 세기에 따라서 전자를 토해내는데 일견 위에서 진동수에 의해서 세기가 정해진다는 말과 모순처럼 보일 수 있다. 하지만 이는 에너지와 전자의 양을 혼동했을 때 나올 수 있는 오류로 전자입자 하나하나가 가진 에너지의 양은 초기 빛의 진동수에 의해서 결정이 된다. 하지만 이 튀어나오는 전체 전자의 개수는 빛의 세기에 의해서 결정이 되는 것이다.
이 외부광전효과에 의해서 빛의 이중성이 입증이 되었다고 할 수 있으며 플랑크의 흑체복사에 대한 연구와 합쳐져서 양자역학이 만들어지게 된다.
현재는 군사용 야간투시경의 핵심부품인 영상증배관 및 광전관을 만드는 데 쓰이고 있다.
- 내부광전효과
반도체 등에 빛을 쪼이면 반도체에 포함된 불순물의 전자가 자유가전자가 되면서 양공을 만들어내며 전도도가 상승하는 현상. 이 효과는 다시 자유가 전자와 양공에 의해서 전도도가 상승하는 1차 내부광전효과와 이 바뀐 전자와 +홀에 의해서 반도체 구조 자체가 변화하는 2차 내부광전효과로 나뉜다.
현재에는 브라운관과 의료용 촬영장치를 만드는데 응용된다.
- 광기전력 효과
반도체 전체가 아닌 일부분에만 빛을 쪼였을 때 쪼인곳과 아닌 곳에서 전위차를 발생시키는 효과. 내부광전효과는 일부에만 쬐여도 자유가 전자들이 퍼져나가며 반도체 전체에 같은 효과를 낳는 효과가 있지만 이 광기전력 효과에 사용되는 특수한 반도체는 전체로 현상이 대전되지 않고 딱 그 일부분에만 국한된다.
태양전지와 측광장치, 센서 등에 활용된다.
6. 기타
- 이론으로만 보면 낯설게 느껴지겠지만 실생활에서 사용되는 첨단 장비 중에는 이 이론에 기반한 기술을 쓰는 것들이 제법 있다. 태양전지도 광전효과를 응용한 기술이며[4] 촬영장비 중에도 이것을 응용한 기기가 있다. 영화에서 화면과 음향이 일치되도록 하는 장치인 사운드 트랙에 사용된다. 영사기도 광전효과를 일부 활용하여 영화를 상영한다.
- 라즈베리 파이 2에 들어가는 SMPS 칩은 의도치 않게 기판이 노출된 채로 만들어져 버렸고, 카메라 플래시를 터트리면 SMPS칩에 광전효과가 발생해 라즈베리 파이가 작동을 멈춘다고 한다.
- 실제로는 양자역학 특성상, 한계진동수 값 아래서도 광전효과가 가능하다(비선형광학). 다만 이러한 현상이 충분히 잘 나타나려면, 레이저와 같은 강럭한 광원이나 작은 신호도 받아들일 수 있는 검출기가 필요하다. 레이저와 높은 감도의 검출기가 개발되기전에 나온 고전적인 이론이기 때문에 한계가 있는 것이다.
- 광전효과에서 주로 사용되는 빛의 세기의 물리량은 광자선속밀도(Photon flux density, 단위 시간 당 단위 면적 당 광자 수. mol·m⁻²·s⁻¹ 단위 사용)이다.[5] 물리학의 다른 분야에서 복사조도(Irradiance, 단위 시간 당 단위 면적 당 빛 에너지이며 포인팅 벡터의 시간 평균 <S>. W·m⁻² 단위 사용)가 주로 사용되는 것과 다르다. (빛에 대한 물리량은 흑체복사 문서에 정리되어 있으니 참조할 것.)
둘은 비례하는 물리량이므로 배우는 과정에서 크게 혼동이 없지만, 빛의 세기가 일정할 때 진동수 변화에 따른 광전류와 같은 경우 빛의 세기가 어떤 물리량인가에 따라 결과가 다르다. 전자라면 광전류에 변화가 없지만, 후자라면 진동수 증가에 따라 광전류가 감소하게 된다.(빛 에너지가 같은데 광자 1개의 에너지가 커지므로 광자선속밀도는 감소) 고등학교 교육과정에서는 별도의 명시된 설명은 없지만, 일관되게 광자선속밀도를 암묵적으로 사용한다. 가끔 수능 모의고사 문제에도 관련된 문항이 출제되는데, 광자선속밀도라고 생각하고 풀면 된다. 다만, 대학 현대물리학 교재의 경우 복사조도를 사용하는 저자도 있으므로 문맥적으로 이해해야 한다. [출처]
7. 같이 보기
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| 양자물리학 | 광전효과 • 유도 방출 • EPR 역설(양자 얽힘) | ||||
| 통계역학 | 보스-아인슈타인 응집 • 브라운 운동 | ||||
| 우주론 | 정적 우주론(우주 상수) | ||||
| 입자이론 | 통일장 이론 | ||||
| 생애 | 아인슈타인 생애 | ||||
| 소속 | 베른 대학교 • 취리히 대학교 • 프린스턴 고등연구소 | ||||
| 관련 학자 | 닐스 보어 • 베르너 하이젠베르크 • 막스 보른 • 에르빈 슈뢰딩거 | ||||
| 기타 | 보어-아인슈타인 논쟁 • 코펜하겐 해석 • 벨의 부등식 • 타키온 • 블랙홀 • 시공간(민코프스키 다이어그램) • 아인슈타인 표기법 | ||||
[1] 파동의 에너지는 진폭의 제곱과 진동수의 제곱에 비례하므로 빛이 순수한 파동이라면 진동수가 약한 빛이라도 세기(진폭)가 큰 빛이면 전자가 에너지를 받아 튀어 나와야 하는데 그렇지 않다. 또 그렇게 에너지를 받아 튀어 나온다고 해도 파동은 에너지를 연속적으로 전달하므로 빛을 비춘 후 전자가 튀어 나오는 데 어느 정도 딜레이가 있어야 한다. 그러나 전자는 빛을 쏘이는 즉시 튀어나온다.[2] 그의 가장 유명한 연구인 상대성 이론으로 노벨상을 받은 것이 아니다. 상대성 이론은 당시로서는 실험적인 방법으로 증명할 수 없었기 때문에 노벨상 후보에 오를 수 없었다.[3] 엄밀히 말하면, 알파선이나 베타선 등에 의한 이온화는 충돌이온화이며, 감마선에 의한 것만 광이온화라 할 수 있다. (알파선과 베타선은 빛이 아니다.)[4] 사실 태양전지의 에너지원은 UV-Vis 대역이므로 들뜬 전자를 회로로 보내서 이용할 뿐이지, 광전효과에서 말하는 금속에서 방출되는 전자를 이용하는 것은 아니기 때문에 광전효과를 응용한 기술이라고 보기에는 조금은 과장된 측면이 있다.[5] 광전효과와 유사한 광합성 관련 분야에서는 직접적으로 광합성유효광자선속밀도(PPFD)를 사용한다. 이는 광합성에 실질적으로 이용되는 광자선속밀도를 의미한다.[출처] 현대물리학 교재의 광전효과 단원에서 빛의 세기에 관한 설명방식과 교육적 함의