광전 효과 -(1)

 가장 강력하면서, 확실히 가장 간단한 양자론에 관한 증거는 광전효과(photoelectric effect)를 타당하게 설명할 수 있는 유일한 설명으로부터 나온 것일 것이다. 광전효과는 1887년에 헤르츠가 맥스웰의 빛의 전자파 이론을 증명하는 실험 도중에 발견하였다. 그가 자외선을 금속 전극에 조사하자 전하가 발생하여 검전기의 금속박이 분리되었다. 하지만 이 발견은 그 당시의 헤르츠의 관심사가 아니었고, 필립 레나르트가 이 결과를 설명하였다. 광전효과는 전자가 물질로부터 방출될 수 있는 여러 가지 방법 중의 하나이다. 1900년대 초에 전자가 물질에 구속되어 있음이 알려졌다. 금속에서 바깥전자(valence electron)들은 자유롭다. 그들은 원자와 원자 사이를 쉽게 움직일 수는 있으나 그 물질의 표면을 떠날 수는 없다. 전자가 물질을 완전히 떠날 수 있는 지금까지 알려진 방법은 다음과 같다.

 

1.열전자 방출 : 열을 주면 전자가 탈출할 수 있는 충붕한 에너지를 얻는다.

2.이차 방출 : 밖에서 물질에 때린 높은 속도의 입자로부터 전자는 충분한 에너지를 전달받는다.

3.전계방출 : 강한 외부의 전기장은 전자를 물질 밖으로 끌어낸다.

4.광전효과 : 물질에 쪼인 빛(전자기 복사)은 전자가 탈출할 수 있도록 전자에 에너지를 전달한다.

 

 전자기 복사가 금속 내의 전자에 작용하여 전자의 운동에너지를 증가시키는 것은 놀라운 일이 아니다. 금속 내의 전자는 약하게 결합되어 있으므로 빛이 전자에게 탈출할 수 있을 만큼 충분한 에너지를 줄 수 있을 것이라 기대할 수 있다. 이때 방출된 전자를 광전자(photoelectron)라 부른다. 전자가 물질을 탈출할 수 있도록 하는 최소의 여분의 운동에너지를 일함수(work function) Φ 라 부른다. 일함수는 전자가 물질에 속박되는 결합에너지 등 최소결합 에너지이다. 

광전효과의 실험적 결과

 1990년경에 수행된 실험에서 광전자들은 가시광선이나 자외선이 깨끗한 금속 표면에 쪼여질 때 나온다는 것을 알았다. 방출체(광음극 또는 음극)에 쪼여진 입사광이 전자를 튀어나오게 한다. 일부의 전자는 모으개(양극) 쪽으로 간다. 양극에서는 전원으로부터 공급된 전압이 V나 -V로 걸려있다. 전류계로 재는 전류(광전류) I는 방출체로 흐르는 광전자에 의한 전류이다. 광전효과에서 관측된 확실한 실험 사시들은 다음과 같다.

1.광전자의 운동에너지는 빛의 세기와 관계없다. 다시 말하면 단일 정지 전위(걸어준 전압)인 -Vo만으로, 빛의 세기에 관계없이 모든 광전자를 정지시키기에 충분하다. 주어진 빛의 세기에서 걸어준 전압을 음수에서 양수로 증가시키면 최대의 광전류로 수렴하고 이 최대 광전류의 크기는 빛의 세기에 의존한다.

 

2.방출체 물질이 주어지면 광전자의 최대 운동에너지는 빛의 진동수에만 의존한다. 다시 말하면 빛의 진동수가 달라지면 가장 큰 에너지를 가진 전자까지도 멈추게하는 지연 전위 -Vo값도 달라진다. Vo의 값은 진동수 f에는 의존하지만 빛의 세기에는 관계가 없다.

 

3.방출체 물질의 일함수 Φ가 작을수록 광전자가 방출되지 못한다.

 

4.그러나 광전자가 방출되기만 하면 그 광전자의 수는 빛의 세기에 비례한다. 즉 최대 광전류는 빛의 세기에 비례한다.

 

5.광전자는 빛의 세기에 관계없이 광 음극을 쫑리 때 거의 순간적으로 방출된다.

 

5번을 제외하고, 위와 같은 실험적 사실은 초보적인 형태로 1902년까지 주로 독일의 실험물리학자인 필립 레나르트에 의해 알려졌다. 그는 1905년 이 연구와 전자의 확인 및 성질에 관한 연구로 노벨상을 받았다.

고전적 해석

앞서 언급한 것처럼 고전이론으로도 전자기 복사가 물질로부터 광전자를 방출시킬 수 있다는 것을 알았다. 그러나 고전이론에 의하면 광파가 가지는 총에너지는 빛의 세기에 따라 증가되어야 한다. 그러므로 고전적으로는 빛의 세기가 증가하면 전자는 더 큰 운동에너지를 가져야 한다. 그러나 결과 1을 보면 특정 지연 전위 -Vo하나로 빛의 세기에 관계없이 빛의 진동수 f가 주어지면 모든 전자를 멈추게 할 수 있다. 고전 전자기 이론으로는 이 결과를 설명할 수 없다. 마찬가지로 고전 이론으로 결과 2도 설명할 수 없다. 왜냐하면 광전자의 최대 운동에너지는 빛의 진동수 f에만 의존하지 세기에는 관계없기 때문이다. 결과 3에서 보인 문턱 진동수의 존재는 고전이론으로 절대로 설명할 수 없다. 그러나 실험 결과 4인 방출되는 광전자의 수가 세기에 비례하여 증가한다는 것은 고전이론으로도 예측할 수 있다. 마지막으로, 고전이론에 의하면 매우 낮은 빛의 세기로 어떤 한 전자가 방출되기에 충분한 에너지를 갖게 하는 데는 매우 긴 시간이 필요하다고 예측한다. 그러나 광전자가 거의 순간적으로 방출되는 것을 관측했다. 실험에 의하면 1000km 떨어진 100w의 백열전구에서 나온 빛이 면적 1cm^2에 비추는 빛의 세기와 같은 매우 낮은 빛의 세기로도 1초 안에 광전자를 방출시키기에 충분한다는 것을 알 수 있다.

다음으로 아인슈타인 이론을 통해 광전효과에 대해 알아보겠다.