광전 효과(光電效果, photoelectric effect)는 물질에 빛을 비추었을 때 전자가 튀어나오거나 전기적 성질이 변하는 현상을 말한다.
좁은 의미로는 금속 같은 물질 표면에 빛을 비추었을 때 전자가 방출되는 현상을 뜻한다. 이때 튀어나오는 전자를 광전자라고 한다.
이 현상은 알베르트 아인슈타인이 1905년 빛을 연속적인 파동으로만 보지 않고 에너지 덩어리인 광자로 설명하면서 제대로 이해되기 시작했다.[1]
고전물리학 입장에서는 꽤 골때리는 현상이었다.
빛이 파동이라면 밝기를 존나 세게 올리면 금속에 전달되는 에너지도 계속 커져야 하므로 어떤 색의 빛이든 충분히 강하게 비추면 전자가 튀어나와야 할 것처럼 보인다.
그런데 실제 실험에서는 그렇지 않았다.
아무리 밝아도 주파수가 너무 낮으면 전자가 안 튀어나왔다.
반대로 주파수가 충분히 높으면 빛이 약해도 전자가 거의 즉시 튀어나왔다.
이걸 설명하려면 빛의 에너지가
E = hν
처럼 주파수에 비례하는 불연속적인 덩어리로 전달된다고 봐야 했다.
이 한 방 때문에 빛은 단순한 파동이 아니라 입자적 성질도 가진다는 사실이 드러났고, 양자역학이 태어나는 데 존나 중요한 계기가 됐다.
개요
금속 표면에 빛을 비추면 전자가 방출될 수 있다.
하지만 조건이 있다.
핵심은 빛의 밝기보다 주파수다.
예를 들어 어떤 금속에서 빨간빛은 아무리 세게 비춰도 전자가 나오지 않을 수 있다.
그런데 자외선은 약하게 비춰도 전자가 바로 튀어나올 수 있다.
왜냐하면 광자 하나의 에너지가
E = hν
이기 때문이다.
여기서
- E = 광자 하나의 에너지
- h = 플랑크 상수
- ν = 빛의 주파수
다.
주파수가 높을수록 광자 하나가 가진 에너지가 크다.
전자를 금속에서 뜯어내기 위해서는 최소한의 에너지가 필요한데 이를 일함수라고 한다.
광자 하나의 에너지가 일함수보다 작으면 전자를 못 뜯어낸다.
빛을 존나 세게 비춘다고 광자 하나가 갑자기 강해지는 게 아니다.
그냥 약한 광자가 존나 많이 오는 것뿐이다.
아인슈타인의 광전 방정식
광전 효과를 설명하는 가장 유명한 식이다.
E = hν
광자가 전자 하나에 에너지를 전달한다고 생각한다.
전자 하나를 금속에서 떼어내는 데 필요한 최소 에너지를 일함수 φ라고 하면 남는 에너지가 전자의 운동에너지가 된다.
따라서
K_max = hν - φ
가 된다.
여기서
- K_max = 방출된 광전자의 최대 운동에너지
- h = 플랑크 상수
- ν = 입사광의 주파수
- φ = 물질의 일함수
다.
아주 간단하게 말하면
광자가 가진 돈 = hν 금속 밖으로 나가는 입장료 = φ 남는 돈 = 전자의 운동에너지
라고 보면 된다.
광자가 입장료도 못 내면 전자는 밖으로 못 나온다.
문턱 주파수
전자가 방출되기 위해 필요한 최소 주파수를 문턱 주파수 또는 한계 주파수라고 한다.
보통 ν₀로 표시한다.
조건은
hν₀ = φ
이다.
따라서
ν₀ = φ / h
가 된다.
빛의 주파수가
ν < ν₀
이면 아무리 밝게 비춰도 광전자가 나오지 않는다.
반대로
ν > ν₀
이면 광전자가 방출된다.
고전적인 파동이론만으로는 설명하기 존나 어려웠던 핵심 관측결과다.
빛의 세기는 뭘 바꾸나
광전 효과에서 사람들이 가장 많이 헷갈리는 부분이다.
빛의 주파수를 그대로 두고 세기만 높이면 광전자 한 개의 최대 운동에너지는 거의 변하지 않는다.
대신 광자 수가 늘어나므로 방출되는 전자 수가 증가한다.
즉
빛을 더 밝게 함 → 광자 수 증가 → 튀어나오는 전자 수 증가 → 광전류 증가
가 된다.
반면
주파수 증가 → 광자 하나의 에너지 증가 → 전자 운동에너지 증가
다.
그래서
밝기 = 전자 수 주파수 = 전자 에너지
정도로 외우면 기본문제 대부분 풀린다.
물론 실제 실험에서는 재료 상태와 포화전류 등 추가 조건이 들어가지만 기본 개념은 이거다.
빨간빛을 존나 세게 비추면?
문턱 주파수보다 낮으면 아무 일도 안 생긴다.
빨간빛 광자 하나가 전자를 떼어내기에 부족하다면 빨간빛을 100배 세게 비춘다고 광자 하나의 에너지가 100배 되는 게 아니다.
그냥 약한 광자가 100배 많이 오는 것이다.
고전물리학식 직관으로는
"파도가 작으면 많이 때리면 언젠가 물건 날아가겠지."
라고 생각할 수 있는데 광전 효과에서는 광자 하나가 전자 하나와 상호작용하는 방식이 중요하다.
그래서 문턱을 넘지 못하면 계속 꽝이다.
자외선을 약하게 비추면?
주파수가 충분히 높으면 전자가 방출될 수 있다.
빛의 세기가 약하면 광자 수가 적으므로 방출되는 전자 수는 적다.
하지만 각각의 광자가 가진 에너지는 충분하다.
그래서 약한 자외선으로도 전자가 튀어나올 수 있다.
고전물리학의 예상
19세기 말에는 빛을 기본적으로 전자기파로 이해했다.
제임스 클러크 맥스웰의 전자기학이 빛을 전자기파로 매우 성공적으로 설명했기 때문이다.
따라서 당시 물리학자는 빛의 에너지가 파동 전체에 연속적으로 퍼져 있다고 생각하는 것이 자연스러웠다.
이 관점에서는 다음과 같은 예측이 가능하다.
- 빛이 강할수록 전자가 더 큰 에너지를 받아야 한다.
- 약한 빛이라도 충분히 오래 비추면 전자가 에너지를 축적해 튀어나와야 한다.
- 주파수 자체는 결정적인 조건이 아니어야 한다.
그런데 실험은 전부 이상하게 나왔다.
실제 실험결과
실험에서는 다음이 관찰됐다.
문턱 주파수가 존재한다
특정 주파수보다 낮으면 전자가 방출되지 않는다.
아무리 빛을 세게 비춰도 안 된다.
광전자는 거의 즉시 나온다
빛이 충분한 주파수를 가지고 있다면 약한 빛에서도 전자가 거의 즉시 방출된다.
전자가 에너지를 조금씩 모아서
"자 이제 충분히 모았으니 나간다."
하는 지연시간이 관찰되지 않는다.
운동에너지는 주파수에 따라 증가한다
빛의 주파수가 높아질수록 방출된 광전자의 최대 운동에너지가 커진다.
세기는 전자의 수에 더 큰 영향을 준다
같은 주파수에서 빛의 세기를 증가시키면 주로 방출되는 전자의 수가 증가한다.
이 결과들을 광자 개념이 존나 깔끔하게 설명했다.
역사
광전 효과는 아인슈타인이 어느 날 갑자기 발견한 현상은 아니다.
여러 과학자가 실험적으로 먼저 발견하고 연구했다.
하인리히 헤르츠
1887년 하인리히 헤르츠는 전자기파 실험을 하다가 자외선을 비추면 전극 사이 방전이 더 쉽게 일어난다는 사실을 관찰했다.[2]
헤르츠는 맥스웰의 전자기파 존재를 실험적으로 증명한 사람으로 유명하다.
아이러니하게도 빛의 파동성을 증명하는 실험을 하다가 나중에 빛의 입자성을 보여주는 현상까지 발견한 셈이다.
빌헬름 할바흐스
독일 물리학자 빌헬름 할바흐스는 자외선을 비춘 금속에서 전하가 방출되는 현상을 더 자세히 연구했다.
음전하를 띤 금속에 자외선을 비추면 전하가 빠져나가는 것을 관찰했다.
이 때문에 광전 효과 초기 연구를 헤르츠-할바흐스 효과라고 부르기도 했다.
J. J. 톰슨
1897년 전자를 발견한 조지프 존 톰슨은 광전 효과에서 방출되는 입자가 전자라는 사실을 확인하는 데 기여했다.
그러면서
빛 비춤 → 금속에서 전자 나옴
이라는 현상의 기본 그림이 만들어졌다.
하지만 왜 특정 주파수 이상에서만 전자가 튀어나오는지는 여전히 설명이 안 됐다.
플랑크
1900년 막스 플랑크가 흑체복사 문제를 해결하기 위해 에너지가
E = hν
단위로 흡수·방출된다는 가정을 도입했다.
플랑크 자신은 처음부터
"빛은 광자라는 입자다."
라고 생각했던 것은 아니다.
에너지 양자화를 흑체복사 계산을 맞추기 위한 방법으로 도입한 성격이 강했다.
그런데 아인슈타인이 몇 년 뒤 이 아이디어를 존나 과감하게 밀어붙였다.
아인슈타인
1905년 알베르트 아인슈타인은 논문
《빛의 생성과 변환에 관한 발견적 관점에 대하여》
를 발표했다.
그는 빛 자체가 공간을 통해 연속적인 파동으로만 퍼지는 것이 아니라 특정 상황에서는 에너지 양자, 즉 오늘날 말하는 광자처럼 행동한다고 제안했다.
광자 하나의 에너지가
E = hν
라고 보고 광자 하나가 전자 하나와 상호작용한다고 생각하면 광전 효과가 설명됐다.
아인슈타인은 여기서
K_max = hν - φ
라는 관계를 제시했다.
당시에는 상당히 과격한 생각이었다.
맥스웰 전자기학이 빛의 파동성을 존나 잘 설명하고 있는데 갑자기
"빛이 덩어리처럼 행동합니다."
라고 들고 나온 것이다.
노벨상
아인슈타인이 상대성이론으로 노벨상을 받은 것으로 알고 있는 사람이 많다.
정확히는 아니다.
아인슈타인은 1921년 노벨 물리학상을 받았는데 공식 수상 이유에는
"이론물리학에 대한 공헌, 특히 광전 효과 법칙의 발견"
이 명시됐다.[3]
그러니까 아인슈타인에게 노벨상 안겨준 대표적인 업적은 상대성이론보다 광전 효과였다.
상대성이론도 당연히 당시 이미 존나 유명했지만 노벨위원회는 실험적으로 더 명확하게 확인된 광전 효과 설명을 수상 근거로 잡았다.
밀리컨
로버트 밀리컨은 광전 효과를 매우 정밀하게 실험한 물리학자다.
재미있는 것은 밀리컨 본인이 처음에는 아인슈타인의 광자 가설을 별로 좋아하지 않았다는 점이다.
그래서 거의 10년 동안 정밀실험을 하면서 아인슈타인의 식을 검증했다.
결과는
아인슈타인 식 존나 잘 맞음.
이었다.
광전자의 최대 운동에너지와 빛의 주파수가 선형관계를 보였고 그 기울기에서 계산한 값이 플랑크 상수와 일치했다.[4]
자기가 싫어하는 이론을 몇 년 동안 실험했더니 오히려 그 이론을 증명해 준 과학사의 아름다운 장면이다.
과학은 그래서 존나 무섭다.
싫다고 틀리는 게 아니다.
정지 전압
광전 효과 실험에서 중요한 개념이다.
빛을 비추면 전자가 방출되고 반대편 전극으로 이동하면서 전류가 흐른다.
이때 전자가 이동하는 방향과 반대로 전압을 걸면 전자들이 점점 반대편 전극에 도달하지 못하게 된다.
전압을 계속 키우다가 가장 빠른 광전자조차 도달하지 못하게 되는 전압을 정지 전압 또는 저지 전압이라고 한다.
보통 V_s로 표시한다.
전자 전하량을 e라고 하면
eV_s = K_max
이다.
따라서 아인슈타인의 식과 합치면
eV_s = hν - φ
가 된다.
즉 정지 전압을 측정하면 광전자의 최대 운동에너지를 알 수 있다.
그래프
광전 효과 문제에서 존나 많이 나온다.
최대 운동에너지 대 주파수
가로축을 ν, 세로축을 K_max로 잡으면
K_max = hν - φ
이므로 직선이 나온다.
기울기는
h
즉 플랑크 상수다.
x절편은 문턱 주파수 ν₀다.
정지 전압 대 주파수
eV_s = hν - φ이므로
V_s = (h/e)ν - φ/e
가 된다.
따라서 기울기는
h/e
다.
시험에서 그래프 주고
"플랑크 상수를 구하여라."
하면 이거다.
일함수
일함수(work function)는 물질 표면에서 전자 하나를 밖으로 떼어내는 데 필요한 최소 에너지다.
보통 φ로 표시한다.
재료마다 다르다.
금속 내부 전자는 그냥 자유롭게 우주로 날아갈 수 있는 게 아니다.
금속 내부에서는 이동할 수 있어도 표면 밖으로 나오려면 에너지 장벽을 넘어야 한다.
이 장벽이 일함수다.
일함수가 작으면 비교적 낮은 주파수의 빛으로도 광전 효과가 일어나기 쉽다.
물질마다 다른 이유
전자구조와 표면상태가 다르기 때문이다.
같은 금속이라도 표면이 산화됐거나 오염돼 있으면 일함수가 달라질 수 있다.
실험에서는 금속 종류만큼 표면상태 관리도 중요하다.
실제 광전효과 장치를 만들 때는 진공과 깨끗한 표면이 중요하다.
광자
광전 효과는 빛의 입자성을 보여주는 대표적인 현상이다.
광자 하나는
E = hν
의 에너지를 가지고
p = h/λ
의 운동량을 가진다.
여기서 λ는 파장이다.
주파수가 높을수록 에너지가 크고 파장이 짧다.
그래서 일반적으로
적외선 ↓ 가시광선 ↓ 자외선 ↓ X선 ↓ 감마선
방향으로 갈수록 광자 하나의 에너지가 커진다.
파장이 짧을수록
주파수와 파장의 관계는
c = λν
이다.
따라서
ν = c/λ
이고 광자의 에너지는
E = hc/λ
로도 쓸 수 있다.
즉 파장이 짧을수록 광자 에너지가 크다.
광전 효과 문제에서 파장으로 주면 이 식을 사용하면 된다.
파동-입자 이중성
광전 효과 때문에
"빛은 입자다."
라고만 결론내리면 또 틀린다.
빛은 간섭과 회절에서는 명백한 파동적 성질을 보인다.
예를 들어 이중 슬릿 실험에서는 빛이 간섭무늬를 만든다.
반면 광전 효과와 콤프턴 효과에서는 입자적 성질이 두드러진다.
그래서 현대 양자역학에서는 빛이 고전적인 의미에서
"파동 아니면 입자"
둘 중 하나라고 보지 않는다.
양자적 대상이며 측정과 상황에 따라 파동적·입자적 특성이 나타난다.
이것을 흔히 파동-입자 이중성이라고 한다.
콤프턴 효과
이 부분의 본문은 콤프턴 효과입니다. (해당 문서에서 가져왔을 수도 있으나, 아닐 수도 있습니다.)광전 효과와 함께 빛의 입자성을 보여주는 대표적인 실험이다.
X선 광자가 전자와 충돌한 뒤 에너지와 운동량을 일부 전달하면서 파장이 길어지는 현상이다.
광전 효과에서는 광자가 전자에게 사실상 에너지를 넘겨주고 사라진다.
콤프턴 효과에서는 광자가 전자와 충돌한 뒤 에너지가 줄어든 상태로 다시 나간다.
둘 다 광자 개념을 존나 강력하게 지지했다.
광전 효과의 종류
넓은 의미에서 광전 효과는 여러 종류로 나눈다.
외부 광전 효과
빛을 받은 물질에서 전자가 표면 밖으로 완전히 방출되는 현상이다.
보통 교과서에서 광전 효과라고 하면 이것을 말한다.
내부 광전 효과
빛을 흡수해 물질 내부 전자가 높은 에너지 상태로 이동하면서 전기전도도가 변하는 현상이다.
반도체에서 특히 중요하다.
광기전 효과
빛을 받으면 전압과 전류가 발생하는 현상이다.
태양전지의 기본 원리다.
엄밀히 말하면 외부 광전 효과와는 조금 다른 반도체 물리 현상이지만 넓은 광전 현상 계열로 함께 다뤄진다.
태양전지
태양전지는 광전 효과 이야기에서 자주 언급된다.
다만 금속에서 전자가 밖으로 날아가는 전형적인 외부 광전 효과와 태양전지는 작동방식이 다르다.
태양전지에서는 반도체가 광자를 흡수하면 전자-정공 쌍이 생성되고 내부 전기장이 이들을 분리해 전압과 전류를 만든다.
즉
빛 → 전자 여기 → 전하 분리 → 전류
과정이다.
태양광 패널에서 전자가 판 밖으로 존나 튀어나와 전선으로 들어가는 건 아니다.
포토다이오드
포토다이오드는 빛을 감지하는 반도체 소자다.
빛이 들어오면 전자-정공 쌍이 생성돼 전류가 변한다.
카메라, 광통신, 센서 등에 사용된다.
현대 전자공학에서 광전 현상이 얼마나 중요한지 보여주는 대표적인 소자다.
CCD와 CMOS
디지털카메라 센서도 빛을 전기적 신호로 바꾼다.
CCD와 CMOS 이미지 센서의 각 픽셀에서 광자가 흡수되면 전하가 생성되고 이를 측정해 이미지 데이터를 만든다.
사람 눈으로 들어오는 풍경이
광자 → 전자 → 전압 → 숫자 → 사진
으로 바뀌는 셈이다.
스마트폰 카메라도 결국 양자역학 없으면 제대로 설명하기 어렵다.
광전관
과거에는 광전관이라는 진공관 형태의 광센서가 많이 사용됐다.
빛이 광전면에 들어오면 전자가 튀어나오고 전극에 모여 전류가 흐른다.
조도 측정, 자동문, 영화 음향 재생 등 여러 장치에 사용됐다.
현재는 반도체 센서가 많이 대체했다.
광전자증배관
광전자증배관(photomultiplier tube, PMT)은 매우 약한 빛을 감지하는 장치다.
광자가 광전면에 충돌해 광전자를 하나 만들면 이 전자를 높은 전압으로 가속한다.
전자가 다이노드라는 전극을 때리면 여러 전자가 튀어나온다.
그 전자들이 또 다음 다이노드를 때린다.
전자 1개 → 여러 개 → 더 여러 개 → 존나 많은 전자
식으로 증폭한다.
그래서 거의 광자 몇 개 수준의 매우 약한 빛도 감지할 수 있다.
입자물리 실험, 천문학, 핵의학 등에서 사용된다.
야간 센서
광전 효과와 광전자 증폭 기술은 야간관측장치와 각종 광센서에도 사용된다.
빛을 전기신호로 바꾸고 증폭하는 기술의 핵심이다.
자동문
과거 광전 센서 설명에서 자동문 예시가 존나 자주 나온다.
광센서가 빛의 차단이나 반사를 감지해 사람이 들어오는 것을 알아낸다.
현대 자동문에는 적외선 센서나 레이더 등 다양한 기술이 사용되므로 모든 자동문이 단순한 광전관을 쓰는 것은 아니다.
하지만 빛을 전기신호로 바꾸는 광센서는 여전히 매우 흔하다.
화염 감지
불꽃에서 나오는 자외선이나 적외선을 광센서로 감지해 화재나 연소상태를 확인하는 장치에도 광전 현상이 사용된다.
우주관측
천문학에서는 들어오는 빛이 존나 약한 경우가 많다.
별과 은하에서 날아온 광자를 검출하기 위해 CCD, CMOS, 광전자증배관 등 광전현상을 이용한 검출기를 사용한다.
수십억 년 날아온 광자 하나가 망원경에 들어와 전자를 만들어내고 그 전자가 데이터가 된다.
생각해보면 꽤 미친 과정이다.
X선 검출
X선 광자는 에너지가 높기 때문에 물질과 상호작용하면서 전자를 방출시킬 수 있다.
X선 검출기와 방사선 검출에서도 광전 효과는 중요한 상호작용 가운데 하나다.
특히 원자번호가 높은 물질과 낮은 X선 에너지 영역에서는 광전흡수의 비중이 커진다.
방사선물리학에서의 광전 효과
의료영상과 핵물리에서는 조금 더 구체적인 의미로 사용된다.
고에너지 광자가 원자에 흡수되면서 원자 내부의 결합전자 하나를 밖으로 방출한다.
광자는 완전히 사라지고 그 에너지는
- 전자의 결합에너지
- 방출 전자의 운동에너지
로 나뉜다.
따라서
E_γ = E_binding + K_e
가 된다.
이후 빈 전자껍질을 다른 전자가 채우면서 특성 X선이나 오제전자가 방출될 수도 있다.
원자번호 의존성
X선 영역의 광전흡수 확률은 물질의 원자번호 Z에 강하게 의존한다.
정확한 근사식은 에너지 범위에 따라 다르지만 대략
Z의 높은 거듭제곱
에 비례하는 강한 의존성을 보인다.
그래서 뼈처럼 칼슘이 많은 조직이 연조직보다 X선을 더 많이 흡수하는 데 광전 효과가 기여한다.
CT와 일반 X선영상에서 조직 대비가 생기는 원리 가운데 하나다.
X선 사진
뼈가 하얗게 보이는 데는 여러 물리현상이 관여하지만 광전 효과가 중요한 역할을 한다.
칼슘처럼 원자번호가 상대적으로 높은 원소를 많이 포함한 뼈에서는 광전흡수 확률이 높다.
그래서 X선이 덜 통과하고 검출기에 적게 도달한다.
결과적으로 영상에서 하얗게 나타난다.
광이온화
광전 효과와 비슷한 개념으로 광이온화가 있다.
원자나 분자가 광자를 흡수해서 전자를 잃는 현상이다.
금속 표면에서 전자가 방출되는 외부 광전 효과와 기본 물리원리는 비슷하다.
천체물리학, 플라즈마물리학, 대기화학 등에서 중요하다.
전자볼트
광전 효과 문제에서는 에너지를 전자볼트(eV) 단위로 많이 쓴다.
1 eV는 전자 하나가 1볼트의 전위차를 이동하면서 얻는 에너지다.
1 eV = 1.602 × 10^-19 J
금속의 일함수도 보통 몇 eV 정도다.
그래서 줄 단위보다 계산하기 편하다.
계산 예시
어떤 금속의 일함수가 2 eV라고 하자.
3 eV의 광자를 비추면
K_max = 3 eV - 2 eV = 1 eV
이다.
광전자의 최대 운동에너지는 1 eV다.
그런데 1.5 eV짜리 광자를 아무리 존나 많이 비춰도
1.5 eV < 2 eV
이므로 전자는 방출되지 않는다.
이게 광전 효과의 핵심이다.
세기와 주파수 다시 정리
시험에서 존나 헷갈리므로 다시 정리한다.
| 변화 | 결과 |
|---|---|
| 주파수 증가 | 광전자 최대 운동에너지 증가 |
| 주파수 감소 | 광전자 최대 운동에너지 감소 |
| 문턱 주파수 미만 | 광전자 방출 안 됨 |
| 빛의 세기 증가 | 방출되는 광전자 수·광전류 증가 |
| 빛의 세기 감소 | 방출되는 광전자 수 감소 |
단 주파수는 문턱 주파수보다 높다는 조건을 생각해야 한다.
광전류
빛으로 방출된 전자들이 전극 사이를 이동하면 전류가 흐른다.
이를 광전류라고 한다.
빛의 세기가 증가하면 단위시간당 들어오는 광자 수가 증가하고 일반적으로 방출되는 전자 수도 증가하므로 광전류가 커진다.
포화전류
전극에 충분히 큰 양의 전압을 걸면 방출된 광전자가 거의 전부 수집된다.
이때 더 이상 전압을 높여도 전류가 크게 증가하지 않는 상태의 전류를 포화전류라고 한다.
빛의 세기가 강할수록 더 많은 전자가 방출되므로 포화전류도 커진다.
광전자의 에너지가 모두 같은가
아니다.
금속 내부 전자들이 모두 동일한 상태에서 출발하는 것도 아니고 표면까지 이동하면서 에너지를 잃을 수도 있다.
그래서 실제로 방출되는 전자들은 여러 운동에너지를 가진다.
아인슈타인 식의 K_max는 그중 최대 운동에너지다.
전자 하나가 광자 여러 개 먹으면 안 되나
기본적인 광전 효과에서는 광자 하나가 전자 하나에 에너지를 전달한다고 설명한다.
하지만 매우 강력한 레이저를 사용하면 다광자 광전 효과도 발생할 수 있다.
전자 하나가 여러 광자를 거의 동시에 흡수해서 방출되는 현상이다.
예를 들어 광자 하나의 에너지가 일함수보다 작더라도 두세 개를 동시에 흡수하면 문턱을 넘을 수 있다.
이건 일반 고등학교 수준의 광전 효과와는 다른 비선형 광학 영역이다.
그러니까
"빨간빛 존나 세게 비추면 진짜 영원히 안 나오냐?"
라고 물으면 일반적인 약한 빛 범위에서는 맞지만 초강력 레이저까지 가면 이야기가 복잡해진다.
물리학은 항상 예외가 존나 숨어 있다.
광전 효과와 레이저
레이저는 특정 주파수의 강한 빛을 만들 수 있기 때문에 광전자 분광법과 표면과학 등에서 중요하다.
레이저 주파수를 조절하면서 전자 방출을 측정하면 물질의 전자구조를 조사할 수 있다.
광전자 분광법
광전자 분광법은 광전 효과를 이용해 물질의 전자구조를 연구하는 기술이다.
물질에 알려진 에너지의 광자를 쏜다.
전자들이 튀어나온다.
전자 운동에너지를 측정한다.
그러면
결합에너지 = 광자 에너지 - 전자 운동에너지
관계를 이용해 원래 전자가 물질 안에서 얼마나 강하게 묶여 있었는지 알아낼 수 있다.
대표적으로
- XPS
- UPS
- ARPES
등이 있다.
XPS
X선 광전자 분광법(XPS)은 X선을 이용해 전자를 방출시키고 그 에너지를 측정한다.
물질 표면에 어떤 원소가 있는지, 화학결합 상태가 어떤지 분석할 수 있다.
반도체, 배터리, 촉매, 재료공학에서 존나 많이 사용한다.
ARPES
각분해 광전자 분광법(ARPES)은 방출된 전자의 에너지와 방향을 정밀하게 측정해 고체 내부 전자의 밴드구조를 조사한다.
초전도체, 위상물질 등 현대 응집물질물리학에서 매우 중요한 실험기술이다.
1905년에는 전자 튀어나오는 이유를 설명하느라 난리였는데 지금은 그 전자를 이용해 양자물질의 전자구조를 뜯어보고 있다.
광전 효과와 양자역학
광전 효과 자체만으로 현대 양자역학 전체가 완성된 것은 아니다.
하지만 중요한 퍼즐이었다.
양자역학 탄생 과정에는
등 여러 발견이 이어졌다.
광전 효과는 특히 빛의 에너지가 양자화돼 있다는 생각을 강하게 뒷받침했다.
아인슈타인이 광자를 발명했나
완전히 그렇게 말하면 조금 단순하다.
플랑크가 먼저 에너지 양자 E=hν를 도입했고, 아인슈타인이 1905년 이를 빛 자체의 성질로 훨씬 과감하게 확장했다.
오늘날 사용하는 photon이라는 용어는 미국 화학자 길버트 루이스가 1926년에 도입했다.
따라서
플랑크 → 에너지 양자 아인슈타인 → 빛의 양자 가설 루이스 → photon이라는 이름
정도로 보면 된다.
빛은 진짜 작은 공인가
아니다.
광자를 작은 빛 공처럼 그리는 그림이 많지만 실제 양자역학의 광자는 고전적인 구슬과는 다르다.
위치와 운동량을 동시에 고전적인 방식으로 확정할 수 없고 간섭도 한다.
'입자'라는 표현은 광자가 에너지와 운동량을 불연속적으로 전달하는 성질을 설명하는 데 유용하지만 당구공 같은 물체라고 생각하면 또 문제가 생긴다.
광전 효과가 중요한 이유
단순히 전자가 튀어나오는 신기한 현상이라서 중요한 게 아니다.
19세기 물리학의 핵심이었던 고전 전자기학만으로 설명되지 않는 현상을 명확하게 보여줬기 때문이다.
그리고 해결책이
"실험오차였습니다."
가 아니라
"빛에 대한 우리의 개념 자체가 틀렸습니다."
였다.
이런 사건은 과학사에서 흔하지 않다.
광전 효과는 빛이 양자화된 에너지 단위로 물질과 상호작용한다는 증거가 됐고 이후 양자이론 발전의 핵심 토대가 됐다.
상대성이론보다 노벨상을 먼저 받은 이유
아인슈타인의 상대성이론은 너무 혁명적이었고 당시에는 실험검증과 해석을 둘러싼 논쟁도 많았다.
반면 광전 효과 법칙은 밀리컨 등의 실험으로 정량적으로 검증됐다.
노벨위원회는 상대적으로 확실한 실험적 기반이 있는 업적을 선택했다.
그래서 1921년 노벨 물리학상 공식 문구에는 광전 효과 법칙이 직접 들어간다.[3]
아인슈타인 하면 E=mc²만 생각하는 대중에게는 좀 의외다.
실생활
광전 현상은 현대 기술에서 존나 많이 사용된다.
- 태양전지
- 디지털카메라
- 스마트폰 카메라
- 광센서
- 광통신 수신기
- 자동문 센서
- 화염감지기
- 천문관측기
- 의료영상 검출기
- 광전자증배관
- 반도체 검사장비
- 광전자 분광기
빛을 전기신호로 바꾸는 장치 상당수가 넓은 의미에서 광전 현상과 연결된다.
자주 하는 오해
밝은 빛일수록 전자가 더 빠르다
항상 그런 것은 아니다.
같은 주파수라면 빛의 세기를 높여도 최대 운동에너지는 기본적으로 변하지 않는다.
전자 수가 증가한다.
모든 빛이 충분히 강하면 전자를 방출한다
일반적인 단일광자 광전 효과에서는 아니다.
문턱 주파수보다 낮으면 아무리 세게 비춰도 광전효과가 일어나지 않는다.
광전 효과가 빛이 파동이 아니라는 증거다
아니다.
빛은 파동적 성질도 보인다.
광전 효과는 빛이 입자적·양자적 성질도 가진다는 증거다.
아인슈타인이 광전 효과를 발견했다
아니다.
현상 자체는 헤르츠 등 이전 실험가들이 발견했다.
아인슈타인의 핵심 업적은 이를 광자 가설로 설명한 것이다.
아인슈타인은 상대성이론으로 노벨상을 받았다
공식적인 수상 이유는 특히 광전 효과 법칙의 발견이었다.[3]
태양전지는 금속 광전효과와 완전히 같다
아니다.
반도체 내부의 광기전 효과가 핵심이다.
고등학교 물리에서
광전 효과는 양자역학 입문에서 단골로 나온다.
문제도 패턴이 거의 정해져 있다.
- 문턱 주파수 계산
- 일함수 계산
- 광전자 최대 운동에너지 계산
- 정지 전압 계산
- 주파수-운동에너지 그래프
- 빛 세기와 광전류 관계
- 파장과 광자 에너지 관계
기본식 세 개만 기억하면 된다.
E = hν
K_max = hν - φ
eV_s = K_max
여기에
c = λν
를 추가하면 대부분 계산이 가능하다.
대학교에서는
대학교 현대물리학과 양자역학에서는 광전 효과를 조금 더 깊게 다룬다.
고체 내 전자상태, 페르미 준위, 일함수, 광전자 분포, 전자 밴드구조 등을 연결한다.
응집물질물리학에서는 광전자 분광법으로 실제 전자구조를 연구한다.
단순한
"빛 쏘니까 전자 나옴."
에서 현대 재료과학 핵심 측정법까지 이어지는 분야다.
여담
- 광전 효과는 영어로 photoelectric effect다.
- 좁은 의미에서는 빛에 의해 물질 표면에서 전자가 방출되는 현상이다.
- 방출된 전자를 광전자라고 한다.
- 1887년 하인리히 헤르츠가 관련 현상을 관찰했다.[2]
- 아인슈타인은 1905년 광양자 가설을 이용해 광전 효과를 설명했다.
- 광자 하나의 에너지는 E=hν다.
- 광전자의 최대 운동에너지는 K_max=hν-φ다.
- 문턱 주파수보다 낮은 빛은 일반적인 조건에서 아무리 세게 비춰도 광전자를 방출시키지 못한다.
- 같은 주파수에서 빛의 세기를 높이면 주로 방출되는 광전자 수가 증가한다.
- 주파수를 높이면 광전자 최대 운동에너지가 증가한다.
- 로버트 밀리컨은 정밀실험을 통해 아인슈타인의 관계식을 검증했다.[4]
- 아인슈타인은 1921년 노벨 물리학상을 받았으며 공식 수상 이유에서 광전 효과 법칙이 특별히 언급됐다.[3]
- 광전 효과는 양자역학 탄생의 핵심 실험적 근거 가운데 하나다.
- 빛의 입자성을 보여주지만 빛의 파동성을 부정하는 현상은 아니다.
- 콤프턴 효과와 함께 광자 개념을 이해할 때 존나 자주 등장한다.
- 태양전지와 디지털카메라 센서 등 현대 전자기술도 넓은 의미의 광전 현상을 이용한다.
- 초강력 레이저에서는 여러 광자를 동시에 흡수하는 다광자 광전 효과도 가능하다.
같이 보기
각주
- ↑ Albert Einstein – Facts, Nobel Prize.
- ↑ 2.0 2.1 Photoelectric effect, Encyclopaedia Britannica.
- ↑ 3.0 3.1 3.2 3.3 The Nobel Prize in Physics 1921, Nobel Prize.
- ↑ 4.0 4.1 January 1905: Einstein and the Photoelectric Effect, American Physical Society.