광전 효과

빛은 입자라는 실험으로 광전 효과 실험이다.

금속에 진동수가 큰 빛을 쬐면 전자가 튕겨 나간다

레너드의 실험

<실험 방법>

1. 2장의 금속판을 서로 마주보게 한 다음 그림과 같은 장치를 만든다. 이때 건전지를 연결시키면 전자는 마이너스에서 플러스 방향으로 흐르려 하지만, 막혀 있기 때문에 금속판 A 부근에서 멈춘다.
2. 이 상태에서 금속판 A 에 빛을 비추면, 전자는 빛에너지를 받아 표면에서 튕겨 나간다.
3. 튕겨 나간 전자는 금속판 B 에 달라붙는다. 그렇게 되면 연결되어 있지 않는데도 전류가 흐르게 된다.
4. 이 실험에서 레너드는 비추는 빛의 세기와 색을 바꿔보고, 그에 따라 튕겨 나가는 전자의 수와 전자 1개의 에너지가 어떤 식으로 달라지는지 연구하였다.

전자 한 개의 전하를 알고 있으니, 흐르는 전류의 수치로 전자의 수를 알 수 있다. 

전자 1개의 에너지는 금속판 A 와 B 사이의 반대 방향의 전압을 걸어 전자가 어느 정도의 전압을 이겨내는지를 보면 알 수 있다.

	튕겨 나가는 전자의 수	튕겨 나가는 전자 1개의 에너지
빛을 세게 하면	증가	일정
빛의 진동수를 크게 하면	일정	증가

빛이 파동일 때 광전 효과

상식적으로 빛을 파동이라고 생각했을 때의 광전 효과

금속 표면의 전자는 빛의 파동에너지를 흡수하여 튕겨 나간다. 

당시에는 빛을 파동이라고 생각했으므로 빛의 밝기, 진동수의 크기는 각각 이렇게 대응한다.

빛의 밝기 → 파동 진폭의 높이

진동수의 크기 → 파동의 진동 횟수

파동 에너지는 진폭에 비례하므로 일반적으로 생각해보면 전자가 세게 날라갈 것 같지만 빛을 세게 해도 튕겨 나가는 전자의 에너지는 같다. 

아인슈타인은 이 현상을 빛은 입자라는 주장으로 어렵지 않게 설명했다.

빛이 입자일 때 광전 효과

빛을 입자라고 생각했을 때의 광전 효과, 빛 입자가 튕겨 나와 물질 표면의 전자에 부딪히고, 그 충격으로 전자가 튕겨 나온다.

이렇게 생각하면 빛의 세기 (파동의 경우 진폭) 은 빛의 입자 수에 따라 결정된다.

입자 1개의 에너지는 hv 로 정해져 있으므로 숫자가 많을수록 빛은 강해진다. 그렇다면 실험 결과인 빛을 강하게 비추면 튕겨 나오는 전자의 수는 증가하지만, 전자 1개의 에너지는 변하지 않는다는 것도 당연해진다.

에너지의 크기는 진동수 v 에 의해 결정되므로 v 가 커지면 빛 입자 1개의 에너지도 커진다.

전자 에너지는

아인슈타인의 관계라고 한다.

가 되고, 이것은 레너드의 실험 결과를 뒷받침하고 있다.

예를 들어 보라색 빛의 경우

이다. 한편 플랑크 상수는

이므로 이 경우 빛이 가진 에너지 E 는,

이 된다. 실험으로 알고 있는 튕겨 나온 전자가 가진 에너지 E 의 수치는,

이므로 거의 일치한다.