안녕하세요!! @aksen 입니다.

오늘은 학교에서 과제로 진행한 광전효과 실험에 대해 공부도 하고 실험 결과 정리도 할겸 광전효과에 대해 포스팅해보겠습니다.

오늘은 먼저 이론을 다루고, 다음에 실험에 대해 다루고자 합니다.
최대한 쉽게 써보고자 하지만 주제부터가 생소한 분들도 계실테니... 가볍게 봐주세요
다음번 광전효과 실험에 대한 글은 이번 글보다는 쉬울거 같은 그런 기분..ㅎㅎ

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1. 광전효과란?

먼저 광전효과가 무엇인지 알아야 무슨 실험을 하는지 알 수 있겠죠?

광전효과란 말 그대로 빛을 쪼였을 때 전류가 흐르는 현상입니다.
1887년 헤르츠 라는 물리학자가 금속에 자외선을 쪼이면 전기 불꽃이 발생하는 현상을 발견했는데요. 전선을 연결할 경우 전류가 흐르게 되어 이를 광전효과라고 이름붙였답니다.

이후의 실험을 통해 쪼여주는 빛의 세기가 클수록 방출되는 광전자의 세기 또한 커지지만 특정 파장 이상의 빛을 쪼이면 아무리 빛의 세기를 키워도, 쪼이는 시간을 늘려도 광전자가 나오지 않는다는 사실을 발견했습니다.

이러한 현상을 아인슈타인이 한가지 가설을 통해 설명해냅니다. 바로 빛이 입자라는 가설이죠.

2. 빛은 입자?

기존의 방법대로 빛이 파동이라고 생각한다면 위의 현상을 도저히 설명해내지 못합니다.
전자가 원자의 구속으로부터 벗어나서 광전자의 형태로 나오려면 에너지가 필요합니다.

따라서 빛이 파동이라면 아무리 미미한 에너지를 가진 파동이라도 오랫동안 가하면 반드시 광전자가 튀어나와야 합니다.
하지만 광전자는 단 한개도 튀어나오지 않았죠.

빛이 입자라고 생각하면 이러한 현상은 아주 쉽게 설명됩니다.

위에서 특정 파장 이상의 빛이라면 빛의 세기, 지속시간과 관계없이 안나온다고 했죠?
다음과 같이 생각해봅시다.

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• 빛의 파장 -> 공을 던지는 속도
• 빛의 세기 -> 한번에 던지는 공의 개수
• 지속시간 -> 공을 던지는 횟수
• 금속판 -> 우물에 갇힌 다른 공

자, 어떤 공이 우물에 갇혀 있습니다. 이제 저 공을 다른 공을 던져 맞춰서 튕겨나오도록 할 예정입니다.

공을 약하게 던진다고 생각해 봅시다. 공을 한번에 10개, 100개를 던진다고 해서, 이러한 행위를 수없이 반복한다고 해서 갇힌 공이 튕겨나올까요? 불가능하겠죠?

이번에는 공을 충분히 빠른 속도로 던진다고 생각해봅시다. 이 경우에는 오직 하나의 공을, 단 한번만 던져도 공이 충분히 빠르다면 튕겨나오도록 할 수 있습니다.

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어떤가요? 빛이 입자라면 특정 파장 이상의 빛을 아무리 세게, 오래 쪼여도 광전자가 나오지 않고, 특정 파장 이하의 빛이라면 쪼이는 즉시 광전자가 나온다는 사실을 손쉽게 설명할 수 있겠죠?

아인슈타인은 이러한 사고실험을 통해 빛의 입자성을 밝혀내서 노벨상을 받았답니다.

3. 광전효과의 측정

이제 이 광전효과를 식으로 나타내 봅시다.

광전자의 최대 운동에너지 (K max) = 광자의 에너지 (hf) - 금속의 일함수 (W)

f는 진동수로 파장의 역수와 비례하는 수입니다.
h는 플랑크 상수라는 비례상수이고 W라고 쓰는 금속의 일함수는 금속에서 전자를 때어내는데 필요한 에너지입니다.

즉 저 식이 말하는 것은 진동수f의 빛을 금속에 쏘아준다면 빛이 가진 hf의 에너지 중에서 W 만큼은 금속과 전자를 분리하는데 쓰이고,
남은 에너지는 광전자가 운동에너지로 가지고 튀어나간다는 뜻입니다.

그렇다면 K max는 어떻게 측정할 수 있을까요?

금속판에 위와 같이 놓고 빛을 쪼이면 금속판에서 나온 광전자가 반대쪽 판에 충돌, 흡수되서 흐르게 됩니다. 즉 전류가 흐르게 되는것이죠.

그런데 이때 역방향으로 전압을 걸어 전자가 날아가는 방향과 반대방향으로 힘을 받도록 전기장을 걸어주면 어떻게 될까요?

전기장이 쌔질수록 전자의 속도는 줄어들게 될것입니다. 그러다가 어느순간 전자가 한개도 반대편과 충돌하지 못할정도로 전기장이 쌔진다면, 즉, 전류가 더이상 흐르지 않게된 순간 그때 걸린 역전압을 저지전압이라고 합니다.

전자의 운동에너지가 커질수록 저지전압도 커지겠지요. 저지전압을 측정함으로서 K max를 측정할 수 있게되는 것입니다.

이러한 방법으로 금속의 일함수나 플랑크상수를 구할수 있는데요 자세한 것은 다음번 실험 포스팅에서 알아보도록 하겠습니다.

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음... 좀더 쉽고 다가오기 쉬운 주제를 택한다는 것이 또다시 자기만족글이 되어버린 기분이네요 ㅠㅠㅠ 적당히 라는것이 참으로 어렵네요.

아 그리고 여태까지는 여기에 넣으면 좋을거 같은 사진이 필요하면 구글에서 퍼와서 썼는데요.
그러다보니 필요한 사진이 구글에 없는 경우가 많았습니다. 무려 이 글만 해도 맘에드는 사진을 2장밖에 찾지 못했네요.

차마 제 똥손으로 그림을 그려 같이 올리기 민망해서 그리지 않았는데 그림의 부족때문에 이해가 잘 안되거나 글의 흥미를 떨어트릴거 같은 기분이네요.. ㅠㅠ

여러분들은 어떠신가요? 역시 똥같은 그림이라도 있는게 이해하기도, 흥미를 붙이기도 쉽겠죠??