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광전효과
광전효과(光電效果, photoelectric effect)는 금속 등의 물질이 한계 진동수(문턱 진동수)보다 큰 진동수를 가진 (따라서 높은 에너지를 가진) 전자기파를 흡수했을 때 전자를 내보내는 현상이다. 이 때 방출되는 전자를 광전자라 하는데, 보통 전자와 성질이 다르지는 않지만 빛에 의해 방출되는 전자이기 때문에 붙여진 이름이다. 알베르트 아인슈타인이 이 현상을 빛의 입자성을 가정함으로써 설명하였으며, 그 공로로 1921년에 노벨 물리학상을 수상했다. 빛의 성질에 관한 논란 중 입자설에 대한 증거로 거론된다.
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개요[편집]
광전효과는 금속 등의 물질(입자)이 빛에 쪼이면 전자를 내놓는 현상이다. 금속 내의 전자는 원자핵의 (+)전하와 전기력에 의해 속박된다. 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 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 필립 레오나르도의 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 프랑크의 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.
이론으로만 보면 낯설게 느껴지겠지만 실생활에서 사용되는 첨단 장비 중에는 이 이론에 기반한 기술을 쓰는 것들이 제법 있다. 태양전지도 광전효과를 응용한 기술이며 촬영장비 중에도 이것을 응용한 기기가 있다.
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. 입사된 광자와 최외각 전자 사이의 상호 작용이다. 전자는 광자에 쬐였을 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.
광전효과의 실험적 관측[편집]
광전효과는 빛이 쪼여진 금속 표면에서 전자의 방출 관측 실험을 설명할 수 있어야 한다. 어떤 금속에서 광전자를 방출시킬 수 있는 특정 최소 진동수가 있다. 이 진동수를 문턱 진동수(한계 진동수, threshold frequency)라고 한다. 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 비례한다. 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 φ, W 혹은 ϕ 표기되기도 하며, φ = hf₀로 나타내어진다. 여기에서 f₀ 는 각 금속마다의 한계 진동수이다.
최대 운동 에너지[편집]
방출된 전자의 최대 운동 에너지 (Kₘₐₓ)는 h가 플랑크 상수, f가 입사된 광자의 진동수일 때 Kₘₐₓ = hf - φ, 로 나타내어진다. 따라서 방출된 전자의 최대 운동 에너지는 Kₘₐₓ = h(f - f₀)이며 운동 에너지는 양수여야 하므로 광전 효과가 발생하기 위해서는 f > f₀ 여야 한다.
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 hν 일 때, 금속에서 전자를 떼어내고 남은 에너지는 전자의 운동에너지가 된다. 즉, 에너지 보존 법칙에 따라 다음 등식이 성립한다.
(Vs 는 정지 전위, m 은 전자의 질량, v 는 방출된 전자의 속도, h는 플랑크 상수)
이 식으로부터 입사한 광자의 에너지가 일함수보다 작으면 입사한 빛의 세기에 관계없이 전자가 방출되지 않는다는 사실을 알 수 있으며, 윗식을 진동수(ν)와 정지 전위(Vs)에 관한 그래프로 나타내면 이는 방정식
로 나타내어지는 직선형임을 알 수 있다. 이 때 그 직선의 기울기는 -e/h 값으로 항상 일정하다는 사실을 통해 플랑크 상수 h 의 값을 구할 수 있다.
분류[편집]
광전효과는 식으로 볼 때는 하나지만 엄밀히 분류하면 몇 가지의 현상으로 분류 할 수 있다.
- 광이온화 : 알파선, 감마선 등과 같은 비교적 파장이 짧은 빛을 쪼였을 경우 기체분자의 원자가 전자를 내놓으면서 이온화 하는 현상. 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 광전관에 쓰이고 있다.
- 내부광전효과 : 반도체 등에 빛을 쪼이면 반도체에 포함된 불순물의 전자가 자유가전자가 되면서 양공(+홀)을 만들어내며 전도도가 상승하는 현상. 이 효과는 다시 자유가 전자와 +홀에 의해서 전도도가 상승하는 1차 내부광전효과와 이 바뀐 전자와 +홀에 의해서 반도체 구조 자체가 변화하는 2차 내부광전효과로 나뉘어진다. 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.
활용[편집]
광전효과는 우리 생활의 다양한 분야에 활용되고 있다. 태양광 발전은 광전효과의 활용한 대표적인 사례이다. 태양전지는 전기적 성질이 다른 N(negative) 형의 반도체와 P(positive) 형의 반도체를 접합시킨 구조를 하고 있으며 2개의 반도체 경계 부분을 PN 접합(PN-junction)이라 부른다. 태양빛은 태양전지 속으로 흡수되고 흡수된 태양빛이 가지고 있는 광자 에너지에 의한 광전효과로 반도체 내에서 정공(正孔:hole)(+)과 전자(電子:electron)(-)의 전기를 갖는 입자(정공, 전자)가 발생한다. 이들은 각각 자유롭게 태양전지 속을 움직이지만, 전자(-)는 N형 반도체 쪽으로, 정공(+)은 P형 반도체 쪽으로 모이게 되어 전위가 발생한다. 때문에 앞면과 뒷면에 붙여 만든 전극에 전구나 모터와 같은 부하를 연결하게 되면 전류가 흐르게 되는 데 이것이 태양전지의 PN 접합에 의한 태양광발전의 원리이다
음주측정기는 숨을 내쉴 때 나오는 알코올 양을 측정해 간접적으로 혈중 알코올 농도를 측정하는 장치인데, 여기에도 광전효과가 활용된다. 측정기 안에는 두 개의 백금 전극이 들어 있는데, 날숨에 의해 배출된 체내의 알코올 성분이 음주측정기 내로 들어가게 되면, 백금판에 닿게 되고, 푸른색의 가스로 변하면서 전자가 방출되어 두 전극 사이에 전류를 발생시킨다. 전류의 양은 혈중 알코올 농도가 높을수록 많아진다. 즉 날숨 속에 알코올이 많을수록 많은 전류가 발생하고 그 전류의 양을 측정하여 혈중 알코올 농도를 측정기에 표시한다.
내부광전효과에 의해 변화하는 전도도를 이용해 빛을 인식하는 방법으로 작동한다. 이 원리를 반대로 이용한 것이 바로 LED다.
광전효과와 고전 물리학의 한계[편집]
고전 물리학은 광전효과를 설명할 수 없는 명백한 한계를 가지고 있었다.
- 빛의 세기와 진동수에 따른 광전자 운동에너지
- 고전 물리학에서는 빛의 세기가 증가함에 따라 에너지가 더 빠른 비율로 금속판에 전달되고 전자들은 좀 더 큰 운동 에너지로 방출되어야만 한다고 예측하였으며, 빛의 진동수와 운동에너지 사이에는 아무 관계가 없어야 한다고 예측하였다. 하지만 광전효과로 인해 튀어나오는 광전자의 최대 운동 에너지는 빛의 세기에는 무관하며 정지 전위에 비례한다. 또한 방출되는 광전자의 최대 운동 에너지는 빛의 진동수가 증가함에 따라 증가한다.
- 빛의 진동수에 따른 광전자 운동 에너지
- 고전 물리학에서는 빛의 진동수와는 무관하게 금속판에는 에너지가 전달되므로 빛의 세기만 충분히 세다면 진동수와 상관 없이 금속판에서는 전자가 방출되어야 한다. 하지만 실제 실험에서는 입사하는 빛의 진동수가 차단 진동수 이하일 경우 광전자가 방출되지 않았으며, 빛의 진동수가 차단 진동수 이상이라면 빛의 세기와 무관하게 광전자가 방출되었다.
- 빛의 입사와 광전자 방출 사이의 시간 간격
- 고전 물리학에서는 빛의 세기가 약할 경우에도 빛이 금속판에 조사되고 난 다음 전자가 입사한 복사 에너지를 흡수하여 금속판에서 탈출하기에 충분한 에너지를 얻는데 까지 걸리는 시간이 측정되어야 한다고 예측하였다. 하지만 실제 실험 결과는 금속판에서 방출된 전자들이 매우 낮은 세기의 빛에 대해서도 거의 순간적으로 (10-9sec 보다 짧은 시간으로) 방출되었다.
- 빛과 관련된 당시의 지배적인 관점이던 파동설로 설명 불가
- 빛을 파동으로 생각하였던 당시의 관점에서는 빛이 충돌하여 전자를 튕겨나오게 하는 것에 대해 설명할 수 없었다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
