빛은 입자인가요, 파동인가요?
빛은 파동이기도 하지만 광전효과에서 입자성을 띄기 때문에 이중성을 가진다고 합니다.
이 광전효과를 이용해서 광센서를 만들 수 있었다고 합니다.
무슨 말인지 바로 알아보겠습니다.
빛의 이중성
첫 번째 빛은 이중성을 띕니다.
우리가 눈으로 보는 빛은 파동일까요? 입자일까요?
당연히 빛은 파동이라고 알고 있습니다.
빛은 전자기파입니다.
19세기까지 빛은 파동이라는 말이 거의 정론이었습니다.
그런데 1905년 아인슈타인이 광전효과를 설명한 논문을 발표합니다.
빛은 파동이다라고 거의 결론을 낸 학계에는 엄청나게 큰 충격이었습니다.
다시 빛은 파동인지 입자인지 논란의 도마에 올라왔습니다.
이 논란이 어떤 의미를 주는 것일까요?
광전효과
광전효과 실험
금속판에 빛 에너지를 줍니다.
그럼 금속판에 있던 전자가 빛을 받아서, 광전자로 뿅 탈출합니다.
여기서 ‘내가 준 에너지 = (전자가 탈출할 때 필요한 에너지 + 남은 에너지)의 합입니다.
바꿔서 이야기하면 ‘광자 에너지 = 일 함수 + 광전자의 최대 운동에너지’라고 할 수도 있습니다.
광자 에너지
여기서 ‘광자 에너지’란 빛의 에너지를 말합니다.
광자 1개의 에너지의 크기 = hf, 그러니까 진동수에 비례합니다.
다시 말하면 광자 에너지 = hf = hc/λ, 파장에는 반비례합니다.
여기서 h는 상수고 플랑크 상수라고 합니다.
일 함수
일 함수란, 전자가 금속판을 떠나기 위한 최소 에너지를 말합니다.
빛의 에너지 크기는 진동수에 비례합니다.
진동수가 낮은 빛 그러니까 에너지가 낮은 빛을 주면 전자가 탈출할 수 없습니다.
그러다 진동수를 조금씩 올리면 전자가 어느 순간 탈출하기 시작합니다.
이 때의 진동수를 우리는 한계 진동수라고 하고 이 한계 진동수 때 에너지를 일 함수라고 합니다.
광전자의 최대 운동 에너지
광전자의 최대 운동 에너지란?
말 그대로 탈출한 전자는 운동에너지를 가지는데 신기한 것이 이 때 광전자의 운동에너지 값이 다 제각각입니다.
이 중에서 가장 크게 가질 수 있는 값을 말합니다.
식으로 다시 정리하면 hf = hf。+ Ek 가 됩니다.
문제에서 물어보는 내용도 너무 뻔합니다.
- 기본적으로 빛의 세기와 광전자의 수는 비례합니다.
- 주의할 점이 광전자 최대 운동E는 진동수에 비례합니다. 빛의 세기와 상관 없습니다.
- 그러니까 한계 진동수 아래 빛은 의미가 없습니다.
- 그런데 튀어나온 광전자의 운동 에너지는 완전히 제각각입니다.
에너지란 단어가 계속 나옵니다.
우리 앞에서 배운 에너지의 단위는 [J], 줄로 쓰고 있습니다.
그런데 광전효과에서는 조금 다른 단위를 사용합니다.
1eV 의미
에너지의 단위인 [J], 전압의 단위인 [V], 두 단위 사이는 사실 연관이 있습니다.
[V]는 사실 [J/C]입니다.
여기서 1eV = 전자 1개의 전하량(1.6×10^-19 C) X 1V = 1.6×10^-19 J 입니다.
[cal] 또는 [kcal]처럼 에너지의 또 다른 단위로 보시면 됩니다.
그럼 이 단위가 어디서 나왔는지도 알아보겠습니다.
광전관 실험
시험에서 진짜 맨날 물어보는 실험입니다.
여기 전압을 걸은 도선이 있습니다.
(+)극과 연결된 금속판은 양극판, (–)극이 연결된 금속판은 음극판이라고 합니다.
이 도선은 연결된 상태가 아니기 때문에, 전류가 흐르지 않습니다.
그런데 음극판에 진동수가 꽤 높은 빛을 줬더니 전류가 흐릅니다.
왜냐하면 금속판에 있던 전자가 광전자가 돼서 양극판에 도달하기 때문입니다.
얼마나 잘 도달하냐면, 전압을 안 걸어줘도 전류가 알아서 흐릅니다.
그럼 전압을 반대로 걸면 어떻게 될 것 같나요?
당연히 전류가 점점 더 흐르기 힘들 것 같다는 생각이 드나요?
그럼 어느 순간 전류가 안 흐르는 지점이 있는데, 이 때의 전압을 우리는 정지 전압이라고 합니다.
무슨 상황인지 다시 보면 전자가 에너지를 받아서 탈출해서 운동에너지를 가지는 광전자가 됩니다.
이 탈출한 광전자의 운동에너지는 다양한데, 제일 크게 가지는 운동에너지보다 역으로 붙잡는 에너지가 더 크다는 것입니다.
즉 정지 전압으로 광전자의 최대 운동에너지를 알 수 있습니다.
hf = hf。+ Ek 식을 다르게 말하면, hf = hf。+ eV。가 되겠습니다.
광전효과 파트에서 진짜 맨날 물어보는 실험입니다.
다른 실험으로는 콤프턴 산란 실험이 있는데, 광자랑 전자는 입자니까 충돌하면 운동량 보존, 에너지 보존 법칙을 따른다는 것을 확인한 실험입니다.
입사한 빛과 산란된 빛을 비교했더니 산란된 빛의 파장이 더 늘어진 현상을 관찰했습니다.
이렇게 빛은 파동인줄 알았으나, 입자성까지 보여서 빛은 이중성을 가진다고 합니다.
전하 결합 소자, CCD
지금까지 내용의 결론입니다.
광전효과를 우리 일상생활 속에 어떻게 이용할까요?
바로 CCD(Charge-Coupled Device)로 많이 쓰입니다.
CCD는 간단히 말해서 빛 신호를 전기 신호로 바꾸어 주는 장치입니다.
사진이나 영상을 찍는 장치에 이용하거나, 자동문에 이용합니다.
문제에서는 영상 정보가 기록되는 원리 정도를 물어봅니다.
- 빛을 입사 시켜서 반도체 안에 양공과 전자를 ‘뿅’ 만듭니다.
- 그럼 전자들이 (+)전압이 걸린 전극에 모입니다.
- 옆 전극에 같은 크기의 전압을 걸어주면 전자가 이동을 합니다.
- 처음 전극의 전압을 제거하면 전자들은 이렇게 성공적으로 이동합니다.
물리학1 빛의 이중성 광전효과 내용 정리
지금까지 내용을 정리하겠습니다.
- 빛은 이중성을 띈다.
- 광전효과의 특징 4가지 정리
- 1eV의 의미
- 광전관 실험 무조건 이해하기
- CCD는 빛 신호를 전기 신호로 바꾸는 장치다