광전효과란 금속 표면에 빛을 비추면 전자가 튀어나오는 현상을 일컫는다. 이때 튀어나오는 전자를 광전자라고 한다. 이 현상을 Lenard(1902)가 실험한 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 비추는 빛의 진동수가 특정한 값(Threshold frequancy, 문턱진동수, 한계진동수)을 넘지 않으면 빛을 아무리 세게 비추어도 전자가 방출되지 않는다. 또 문턱진동수는 물질마다 다르다.
2. 일단 방출된 전자의 운동에너지는 빛의 세기와는 무관하며, 빛의 진동수에만 비례한다.
3. 방출된 전자들의 수(전류의 세기)는 비춘 빛의 세기와 비례한다.
고전 물리학에서는 빛은 파동이고 파동의 에너지는 진폭의 제곱에 비례한다. 즉, 에너지는 빛의 세기의 제곱에 비례해야 하지만, 1번과 2번을 설명하지 못한다. 또한 문턱진동수에 미치지 못하는 빛을 아무리 세게 오랫동안 비추어도 전자가 방출되지 않지만, 문턱진동수를 넘는 빛을 약하게 잠깐만 비추어도 바로 전자가 방출되어, 이러한 현상도 진폭(빛의 세기)의 제곱에 비례한다는 것으로는 설명할 수 없었다.
아인슈타인은 광전효과를 설명하는 이론을 만들었고, 광전효과의 발견에 대한 공로로 1921년 노벨 물리학상을 받게 된다. 다음을 클릭하면 1921년 노벨 물리학상 연설문을 볼 수 있다.
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광전효과의 발견 - 1921년 노벨 물리학상, 알베르트 아인슈타인, Albert Einstein
전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
오늘날 살아 있는 물리학자 가운데 알베르트 아인슈타인 박사만큼 이름이 널리 알려진 사람은 아마 없을 것입니다. 대부분의 논의는 그의 상대성 이론에 집중되어 있습니다. 상대성이론은 필연적으로 인식론과 관련이 있으며 따라서 철학적 관점에서 생생한 논쟁의 주제가 되어 왔습니다. 저명한 철학자인 베르그송이 파리에서 이 이론에 이의를 제기할 때 다른 철학자들은 이 이론을 전적으로 지지하였습니다.
금세기 처음 10년동안 이른바 브라운 운동이 가장 뜨거운 논란을 불러일으켰습니다. 1905년 아인슈타인은 브라운 운동을 설명하기 위한 운동 이론을 정립하였는데 이 이론을 통해 그는 서스펜션, 즉 고체입자가 떠다니는 액체의 주요한 특성을 유도했습니다. 이 이론은 고전역학에 기초하며 콜로이드 용액의 거동을 설명하는 데 도움이 됩니다. 콜로이드 용액에 대한 연구는 과학의 커다란 한 분야로 성장해 온 콜로이드 화학이라는 분야에서 이미 스베드베리, 페랭, 지그몬디와 그 밖에 셀 수 없을 만큼 많은 과학자들이 연구한 주제였습니다.
아인슈타인 박사가 노벨상을 수상하게 되는 그의 세 번째 연구는 1900년 플랑크 교수가 정립한 양자이론 분야입니다. 양자이론에서는 물질이 입자들, 다시 말해서 원자들로 이루어진 것처럼 빛도 '양자quanta'라는 개개의 입자들로 되어 있다고 주장합니다. 플랑크 교수가 1918년 노벨 물리학상을 받은 이 주목할 만한 이론은 초기에는 이론이 가진 여러 결함을 해결하지 못하면서 1905년경 일종의 막다른 골목에 몰려 있었습니다. 그 당시 아인슈타인은 비열과 광전효과에 대한 연구에 매진하고 있었습니다. 광전효과는 1887년 유명한 물리학자인 헤르츠에 의해 발견되었습니다.
헤르츠는 두 개의 구 사이를 통과하는 전기스파크에 다른 전기적 방전에서 나온 빛이 비춰지면 더 쉽게 통과한다는 사실을 발견하였습니다. 이 흥미로운 현상에 대해 할박스가 더욱 철저한 연구를 수행했는데 그에 따르면 금속판 같은 음극으로 충전된 물체에 특정한 조건에서 특정한 색의 빛이 비춰지면 금속판은 음극을 상실하고 최종적으로는 양극을 띤다고 발표했습니다. 1899년 레나르트는 음극으로 충전된 물체로부터 일정한 속도를 가진 전자가 방출되는 원인을 규명하였습니다. 이 효과의 가장 기이한 점은 전자가 방출되는 속도는 비추는 빛의 강도에 의존하지 않고 빛의 주파수에 따라 증가한다는 점입니다. 레나르트는 이 현상을 그 당시에 대세를 이루던 빛의 파동성에 대한 개념과 일치하지 않는다고 강조했습니다.
이와 관련된 현상이 광발광, 즉 인광과 형광입니다. 빛이 어떤 물질에 부딪치면 빛을 받은 물질은 인광이나 형광의 형태로 빛을 방출합니다. 방출된 광양자의 에너지는 주파수와 비례하여 증가하기 때문에 어떤 주파수를 가진 광양자는 더 낮은 혹은 기껏해야 동일한 주파수를 가진 광양자만 형성할 것이라는 것은 분명합니다. 그렇지 않으면 에너지보존법칙에 위배됩니다. 그러므로 인광 혹은 형광은 광발광을 유도한 빛보다 더 낮은 주파수를 갖습니다. 이것이 아인슈타인이 양자이론을 이용하여 설명한 스토크스의 법칙입니다.
이와 유사하게 광양자가 금속판에 입사될 때 광양자는 기껏해야 자신이 가진 에너지의 전부만을 금속판의 전자에게 전달할 수 있습니다. 이 에너지의 일부는 그 전자를 공기 중으로 보내는데 소비되고 그 나머지는 운동에너지로 전자와 함께 남게 됩니다. 이 현상은 금속의 표면에 있는 전자에 적용됩니다. 이 현상으로부터 금속에 빛이 복사될 때 대전될 수 있는 양의 퍼텐셜을 계산할 수 있습니다. 광양자가 금속으로부터 전자를 떼어내기에 충분한 에너지를 가지고 있기만 하면 전자는 공기중으로 방출될 것입니다. 결과적으로 복사되는 빛의 강도가 아무리 크더라도 일정한 한계 이상의 주파수를 가진 빛만이 광발광 효과를 유도할 수 있습니다. 이 한계를 넘어서는 빛을 쪼일 경우 빛의 주파수가 일정하다면 광발광 효과는 빛의 세기에 비례합니다. 기체분자의 이온화 현상에서도 유사한 현상이 일어나며 따라서 기체를 이온화시킬 수 있는 빛의 주파수가 얼마인지 알 수 있다면 이른바 이온화 퍼텐셜도 계산할 수 있습니다.
아인슈타인 박사의 광전효과는 미국인 밀리컨과 그 제자들이 철저하게 실험하였고 광전효과 이론이 맞다는 것을 검증하였습니다. 아인슈타인 박사의 광전효과에 대한 연구로 양자이론의 수준은 높아졌고 양자이론에서 광범위한 논문들이 등장했으며 이에 따라 광전효과 이론이 특별한 가치를 가진다는 것이 입증되었습니다.
-1921년 노벨 물리학상은 1922년 9월에 발표되었다. 당시 아인슈타인은 중국 상하이에서 강연 중이었기 때문에 시상식에 참석하지 못했다.
스웨덴 왕립과학원 노벨 물리학위원회 위원장 S.A. 아레니우스
<당신에게 노벨상을 수여합니다|노벨 물리학상|, 노벨 재단 엮음, 이광렬·이승철 옮김>
Einstein의 이론 (1905)
Einstien은 Palnck의 가정인 식을 이용했다.
그리고 에너지 보존의 법칙을 통해 설명하였는데,
비춘 빛의 에너지 = 전자가 금속 표면에서 떨어져 나오는데 필요한 에너지(일함수) + 전자의 운동에너지가 된다. 이를 수식으로 쓰면,
여기서 는 일함수(work function)으로 전자가 금속에서 떨어져 나오는데 필요한 최소한의 에너지이며, 어떤 책에서는 W로 표현하기도 한다. 위의 저 식을 운동에너지에 대해서 다시 쓰면,
여기서 전자의 운동에너지를 y축, 진동수를 x축으로 설정한다면 아래와 같은 그래프가 된다.
[그림 2. y축은 운동에너지, x축은 진동수이다.]
이 때 x절편은 문턱진동수에 해당하고, y절편은 -일함수가 되며, 기울기는 플랑크상수 h가 된다. 그리고 이것은 R.Millikan이 1916년에 실험으로 Einstien 식을 증명해냈다.
