광자(3) - 광전효과, 문턱진동수,일함수

아인슈타인의 실험중 빛의 입자성을 증명해낸 실험이 있습니다.

그것은 바로 광전효과(photoelectric effect)를 확인한 실험인데,

이를 그림으로 확인하면,

다음과 같습니다.

빛으로 음극(cathode) 쪽을 비추니, 전자가 튀어나와 양극(anode)쪽으로 갔다 라는 결과를 얻은 실험인데,

이를 통해 빛이 어떠한 입자의 형태일 것이라는 결과를 얻게 되었습니다.

 

그리고, 이 실험을 빛의 세기나 진동수를 조절해가며 실험을 해본 결과, 몇가지 사실을 얻어내게 됩니다.

 

먼저, 진동수를 상수로 두고, 빛의 세기를 조절하니 광자(photon)의 전류가 증가하였고, 

이것의 의미는 나오게 되는 전자의 수가 증가한 것입니다

 

빛의 세기를 상수로 두고, 진동수를 조절하니 광자(photon)의 에너지가 증가하였습니다.

이것의 의미는 나오게 되는 전자의 에너지가 증가한 것입니다.

 

즉, 빛의 세기에 의해 전자의 수가 늘어나 전류가 증가하고

진동수가 증가하면 전자의 에너지가 늘어난다는 의미입니다.

 

 

그래프로 보면, 위의 그래프는 빛의 진동수를 고정하고 빛의 세기를 조절한 그래프 입니다. 

이때 광자의 정지 전압(에너지)은 같고 전류는 달라짐을 확인할 수 있습니다.

반대로, 빛의 세기를 고정하고, 빛의 진동수를 조절할 경우 전류는 같아지지만 정지전압이 달라지게 됩니다.

 

이때 광전효과를 볼려면, 물체마다 고유의 최소 진동수가 있는데, 그를 문턱 진동수 라고 합니다.

이 진동수 이상의 빛을 쏘게 되면 전자가 튀어나오게 되는 것입니다.

이때 그 광전된 전자의 최대 운동에너지 K\(E_m\)=h\(\nu\)-h\(\nu_0\)입니다. 여기서 \(\nu_0\)가 최소의 진동수를

의미합니다.

여기서 전자를 뽑아내기 위한 최소의 에너지는 일함수 (work function)이라고 하며, 이 값은 \(\Phi\)=h\(\nu_0\)로서 문턱 진동수를 곱해준 값입니다.

따라서 광전된 전자의 최대 운동에너지는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

K\(E_m\)=h\(\nu\)-\(\Phi\) 

이것이 광전효과의 식입니다.

 

이러한 실험을 통해, 광자 (1),(2)에서 포스팅한 결과들과 대비해보면 빛은 입자이면서 파동성을 동시에 가짐을 알 수 있습니다.