안녕하세요! 만두 ( @aksen )입니다.

저번에 광전효과에 대해 알아보았는데요.
( [물리실험] 광전효과 - 이론 참고)
이번엔 저희 학교에서 진행한 광전효과 실험에 대해 포스팅해보려 합니다.

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1. 실험 장비

위와 같은 장비들이 준비되어 있었습니다. LED는 여러가지 색깔이 있었는데요, LED를 LED 전류원에 연결해서 그 빛을 금속판이 들어있는 광전효과 실험장치에 쪼여주는 방식이였습니다.

이 때 광전효과에 의한 전류가 너무 작아서 빛에 의한 광전류를 전류-전압 변환기를 통해 백만배 증폭시켜서 전압으로 측정했는데요. 역전압은 역전압원으로 걸어주었답니다.

2. 실험방법

저희의 실험 목표는 금속의 일함수와 플랑크 상수를 이 K max = hf - W 라는 식을 이용해서 구하는 것이였습니다.
따라서 여러가지 색깔의 LED를 사용해서 빛의 파장 (진동수)에 따라 역전압을 측정했답니다.

먼저 다음과 같이 LED와 LED 전류원, 광전효과 실험장치를 연결했어요.

파란색 LED가 영롱하게 빛나는군요. ㅎㅎㅎ 광전효과 실험장치에서 진공관 안에 금속판이 보이시나요? LED의 빛때문에 저 금속판에서 광전자가 나오고, 광전류가 흐를 예정이랍니다.

LED가 문제없이 작동하는 것도 확인했으니 모든 실험장치를 연결해 봅시다.

어우... 너무 난잡하네요...
이렇게 다 연결한 다음에는 전압계 2개만 보면 된답니다.

위의 전압계는 전류-전압 변환기로 증폭된 광전류를 나타내고
아래의 전압계는 역전압을 나타냅니다.

위의 상황은 역전압이 거의 없을때 이네요. 역전압이 없을 떈 광전효과에 의해서 광전류가 잘 흐르고 있음을 볼 수 있네요.

그럼 이제 역전압을 점점 증가시키며 광전류가 0이 되는게 언제인지 찾아봅시다.

역전압원의 다이얼을 돌려서 역전압을 점점 증가시키다보니 광전류가 거의 0에 도달했군요!
따라서 현재의 역전압값 (0.917V) 이 광전자의 최대 운동에너지가 되겠습니다.

파랑 LED 일때 0.917V 를 기록해 놓고, 이제 LED의 색깔을 바꾸어 가면서 반복 측정하면 되겠습니다.

3. 결과

적외선부터 자외선까지 총 6가지 LED를 사용해서 실험을 진행했는데요. 결과는 다음과 같았습니다.

적외선은 역전압이 0이군요. 즉, 역전압이 없어도 광전류가 흐르지 않았습니다.
따라서 저희는 적외선의 에너지로는 금속으로부터 전자를 때어내지 못한다는 것을 알 수 있죠.

K max = hf - W 에서 (f,K max) 쌍이 6개나 있으니 액셀로 정리해서 기울기와 y 절편값으로 플랑크 상수 h와 금속의 일함수 W를 구해봅시다.

h= 7.1110^-34 , W= 2.8910^-19 J이 나왔군요
플랑크 상수의 참값이 6.63*10^-34 이므로 오차율이 7.3% 정도 되겠네요.
적외선의 경우 광전류를 발생시키지 못하였기 때문에 추세선에 포함시키지 않았습니다.

아무래도 오차의 원인으로는 광전효과 실험장치의 암실이 완벽하지 않아 외부 빛의 유입이 있었다는 점과 역전압원의 다이얼이 둔감해서 광전류를 정확히 0으로 맞추지 못했다는 점을 들 수 있겠습니다.

광전효과에 대한 이론과 실험 모두 보았는데요, 아무래도 이론보단 실험이 더 흥미롭네요 ㅎㅎㅎ

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