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title: "광전효과"
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광전효과 
 
 
 
 

 
 양자물리 · 고등학교 물리Ⅱ

 광전효과

 금속에 빛을 비추면 전자가 튀어나온다. 그런데 이 현상은 "빛을 파동으로만 보면" 도무지 설명되지 않았다. 아인슈타인은 빛이 알갱이(광자) 라고 가정해 이 수수께끼를 풀었고, 그 공로로 노벨상을 받았다.

 

 1. 직접 실험해 보기

 아래는 금속판에 빛을 쏘는 가상 실험이다. 빛의 색(진동수) 과 세기 를 바꾸면서, 전자가 튀어나오는지 관찰해 보자.

 
 
 광전효과 시뮬레이터

 슬라이더를 움직여 보세요 
 

 
 
 

 
 
 빛의 색 (진동수) 
 
 

 
 빛의 세기 (밝기) 
 
 

 

 
 
 –

 전자 방출 여부

 

 
 –

 전자의 운동에너지

 

 
 –

 방출되는 전자 수

 

 

 

 
 
 이렇게 해 보세요 ①

 색을 빨강 쪽 에 두고 세기를 최대로 올려 보세요. 아무리 밝게 해도 전자가 안 나옵니다.

 

 
 이렇게 해 보세요 ②

 색을 보라 쪽 으로 옮겨 보세요. 세기가 약해도 전자가 튀어나옵니다.

 

 2. 파동설로는 왜 안 됐을까

 고전 물리학에서 빛은 파동이었다. 파동의 에너지는 진폭(세기) 이 클수록 커진다. 그렇다면 어두운 빛이라도 "오래 비추거나 밝게 비추면" 언젠가 전자가 나와야 한다. 하지만 실험 결과는 정반대였다.

 
 파동설의 예측 — 빛이 밝을수록(세기↑) 전자의 에너지가 커지고, 색과는 무관하며, 약한 빛이라도 시간이 지나면 전자가 나온다.

 
 실제 관찰 — 일정 진동수(문턱)보다 낮은 빛은 아무리 밝아도 전자가 절대 안 나온다. 문턱을 넘으면 즉시 나온다. 전자의 에너지는 세기가 아니라 색(진동수) 이 결정한다.

 3. 아인슈타인의 광양자 가설

 아인슈타인은 빛이 연속된 파동이 아니라, 에너지 덩어리인 광자(photon) 의 흐름이라고 봤다. 광자 하나의 에너지는 진동수에만 비례한다.

 
 E = h f
 광자 1개의 에너지 = 플랑크 상수(h) × 진동수(f) 

 전자 하나는 광자 하나를 흡수한다. 금속에서 전자를 떼어내는 데 필요한 최소 에너지를 일함수(W) 라 한다. 광자 에너지가 이보다 커야 전자가 탈출하고, 남는 에너지가 운동에너지가 된다.

 
 E k = h f − W
 전자의 최대 운동에너지 = 광자 에너지 − 일함수 

 
 
 왜 세기를 올려도 소용없나

 세기를 올리면 광자 개수 만 늘어난다. 광자 하나하나의 에너지는 그대로라, 문턱을 못 넘으면 개수가 아무리 많아도 전자는 못 나온다.

 

 
 왜 색이 중요한가

 진동수(색)가 커지면 광자 하나 의 에너지가 커진다. 그래서 문턱 진동수를 넘어야만, 그리고 넘을수록 전자가 더 빠르게 튀어나온다.

 

 4. 핵심 정리

 
 ① 빛은 에너지 알갱이(광자) 의 흐름이다. ② 광자 에너지는 진동수 에만 비례한다 (E = hf).

 ③ 문턱 진동수 보다 낮으면 전자는 방출되지 않는다. ④ 세기 는 방출되는 전자의 개수 만 바꾼다.

 ⑤ 전자의 운동에너지 는 진동수가 결정한다 (E k = hf − W).

 
 실험값은 개념 이해를 위한 모형이며 실제 금속의 정확한 수치가 아닙니다. · 물리Ⅱ 광전효과