빛의 이중성
(1) 광전 효과
① 광전 효과: 금속에 특정한 진동수보다 큰 진동수의 빛을 비출 때 금속에서 전자(광전자)가 방출되는 현상을 광전 효과라고 한다.
② 문턱(한계) 진동수: 금속에서 전자가 방출되기 위한 최소한의 빛의 진동수로, 금속의 종류에 따라 다르다.
③ 광전류: 광전관의 (-)극 K에 문턱 진동수 이상의 빛을 비출 때, 광전자가 방출되어 (+)극 P로 모이므로 광전류가 흐른다.
- 문턱(한계) 진동수보다 작은 진동수의 빛으로는 광전자를 방출시키지 못한다.
- 광전자의 최대 운동 에너지는 빛의 세기와 관계없고, 빛의 진동수와 문턱 진동수에 의해서만 결정된다.
④ 광전 효과의 이용: 도난 경보기, 디지털카메라, 자동문 등
(2) 빛의 파동 이론의 한계와 광양자설
① 빛이 파동이라면 진동수가 아무리 작아도 그 빛의 세기를 증가시키거나 오랫동안 비추면 금속 내의 전자는 충분한 에너지를 얻어 금속 표면 밖으로 튀어나올 수 있어야 한다. 그러나 문턱 진동수보다 작은 진동수를 갖는 빛은 비추는 시간에 관계없이 광전자가 방출되지 않는다. 그리고 문턱 진동수가 물질의 종류에 따라 다르다는 것도 파동 이론으로는 설명이 되지 않는다. 따라서 광전 효과를 설명하려면 빛에 대한 다른 이론이 필요하다.
② 1905년 아인슈타인은 플랑크가 제안한 양자 가설을 이용하여 ‘빛은 진동수에 비례하는 에너지를 갖는 광자(광양자)라고 하는 입자들의 흐름이다.’라는 광양자설로 광전 효과를 설명하였다. 광양자설에 의하면 진동수가 f인 광자 1개가 가지는 에너지는 E=hf 이다. 여기서 h는 플랑크 상수이고, 그 값은 h≒6.6×10-34J·s이다.
(3) 빛의 이중성
① 빛은 진행할 때 파동의 성질인 간섭과 회절 현상이 나타나고, 광전 효과에서는 입자의 성질이 나타난다. 이와 같이 빛은 어떤 경우에는 파동성을 나타내고, 또 다른 경우에는 입자성을 나타내는데, 이것을 빛의 이중성이라고 한다.
② 모든 광학적 현상은 전자기파 이론 또는 파동 이론과 빛의 광양자 이론 중 어느 하나로 설명이 가능하다.
③ 빛은 간섭이나 회절 현상에서 알 수 있듯이 파동의 성질을 가지고 있는 것이 분명하다. 그러나 광전 효과에서 보았듯이 빛을 입자라고 생각해야 잘 설명할 수 있는 현상도 있다. 사진건판에 상이 기록되는 현상은 광자와 사진 건판에 발라진 감광제 입자들의 충돌에 의한 화학 반응의 결과이고, 이것은 빛의 파동성으로 설명하기 어렵다. 그러므로 빛은 파동이면서 동시에 입자인 이중적인 본질을 지니고 있는 것이다.
영상 정보의 기록
(1) 전하 결합 소자 (Charge – Coupled Device, CCD)
① 빛을 전기 신호로 바꾸어 주는 장치로, 수백만 개의 집광 장치로 이루어져 있다.
② 구조는 광센서인 광 다이오드가 평면적으로 배열된 형태를 가지고 있고, 주로 규소(Si) 등의 물질이 광센서로 사용되며 각각의 화소를 구성한다. 디지털카메라, 광학 스캐너, 비디오 카메라 등에 이용된다.
(2) 영상 정보가 기록되는 원리
① 렌즈를 통과한 빛이 전하 결합 소자 내부로 입사하면 광전 효과로 인해 반도체 내에서 전자와 양공의 쌍이 형성되고, 이때 전자의 수는 입사한 빛의 세기에 비례하며, 전자는 (+)전압이 걸려 있는 첫 번째 전극 아래에 쌓이게 된다.
② 인접한 두 번째 전극에 같은 크기의 전압을 걸어 주면 전자는 고르게 분포하게 된다.
③ 첫 번째 전극의 전압을 제거하면 전자는 두 번째 전극으로 이동하여 모이게 된다.
④ 다시 인접한 세 번째 전극에 같은 크기의 전압을 걸어 주면 전자는 고르게 분포하게 된다. 이렇게 순차적으로 전극에 전압을 걸어 주어 전자들이 이동하게 된다.
(3) 컬러 영상을 얻는 원리
① 일반적으로 전하 결합 소자는 빛의 세기만 측정하기 때문에 흑백 영상만을 얻을 수 있으므로, 컬러 영상을 얻기 위해서 서로 교차된 색 필터를 전하 결합 소자 위에 배열한다.
② 빨간색, 초록색, 파란색 필터 아래에 있는 전하 결합 소자에는 각각 빨간색, 초록색, 파란색빛의 세기에 비례하는 전자가 전극에 쌓이게 되어 원래의 색상 정보가 입력된다.
물질의 파동성
(1) 물질파
① 드브로이의 물질파 이론: 1923년 드브로이는 파동이라고 생각했던 빛이 입자성을 나타낸다면 반대로 전자와 같은 물질 입자도 파동성을 나타낼 수 있을 것이라는 가설을 제안하였다.
② 물질파: 물질 입자가 파동성을 나타낼 때, 이 파동을 물질파 또는 드브로이파라고 한다.
③ 물질파 파장(드브로이 파장): 드브로이는 질량이 m인 입자가 속력 v로 운동하여 운동량의 크기가 p일 때 나타나는 파장은 λ= h/p= h/mv (h: 플랑크 상수)로 주어진다고 제안하였다.
(2) 데이비슨·거머 실험
① 데이비슨과 거머는 그림과 같이 니켈 결정에 느리게 움직이는 전자의 전자선을 입사시킨 후 입사한 전자선과 튀어나온 전자가 이루는 각에 따른 분포를 알아보기 위해 전자 검출기의 각 θ를 변화시키면서 각에 따라 검출되는 전자의 수를 측정하였다.
② 실험 결과: 54 V의 전압으로 전자를 가속한 경우 입사한 전자선과 50°의 각을 이루는 곳에서 튀어나오는 전자의 수가 가장 많았다.
③ 실험 결과에 대한 해석
- 원자가 반복적으로 배열된 결정 표면에 X선을 비출 때, 결정면에 대하여 특정한 각으로 X선을 입사시킬 경우 결정 표면에서 반사된 빛과 이웃한 결정면에서 반사된 빛이 보강 간섭을 일으킨다. 이는 마치 얇은 막에 의해 빛이 반사될 경우, 빛이 얇은 막에 특정한 각으로 입사할 때 반사된 빛이 보강 간섭을 일으킨 것으로 해석할 수 있다.
- 전자선을 결정 표면에 입사시킬 때, X선을 결정 표면에 비출 경우와 마찬가지로 입사한 전자선과 결정면에서 튀어나온 전자선이 이루는 각이 특정한 각도에서 전자가 많이 검출된다.
- 실험 결과 X선 회절 실험으로부터 구한 전자의 파장과 드브로이의 물질파 이론을 적용하여 구한 전자의 파장이 일치한다는 사실로 드브로이의 물질파 이론이 증명되었다.
(3) 톰슨 실험: 1928년 톰슨은 얇은 금속박에 전자선을 입사시켜 전자선의 회절 무늬를 얻었는데, 이것은 파장이 매우 짧은 X선을 입사시켰을 때 얻어지는 회절 무늬와 같았다. 따라서 전자선의 회절 무늬로 전자와 같은 물질 입자가 파동성을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.
(4) 물질의 이중성
① 파동성은 전자뿐만 아니라 원자핵의 구성 입자인 양성자와 중성자, 분자 같은 입자에서도발견되었다. 이와 같이 미시적인 세계에서는 빛과 마찬가지로 물질 입자도 파동과 입자의 이중적인 성질이 나타나며, 이와 같은 성질을 물질의 이중성이라고 한다.
② 공중에 떠다니는 먼지와 같이 작은 크기를 갖는 입자에서도 물질파 파장은 존재하지만, 그파장이 너무 짧아서 파동성을 관찰할 수 없다. 즉, 물질파 파장 λ는 플랑크 상수 h를 물체의질량과 속력의 곱인 mv로 나눈 값(h/mv)인데, 플랑크 상수의 값이 아주 작기 때문에 mv의 값이 전자와 같이 아주 작지 않으면 검증할 수 있는 파장 λ의 값을 얻을 수 없는 것이다. 이것이 물질 입자의 파동성이 늦게 발견된 까닭이다.
③ 전자의 파동성을 이용하여 전자의 속력을 조절하면 파장이 매우 짧은 물질파의 전자선을 만들 수 있고, 이를 이용해서 분해능이 우수한 현미경을 만들 수 있다. 전자의 파동성을 이용한 현미경이 전자 현미경이며, 전자 현미경을 이용하여 실물 크기의 10만 배 이상으로 물체를 확대시켜 볼 수 있다.
전자 현미경
(1) 전자의 속력과 전자의 물질파 파장
① 가속 전압과 전자의 운동 에너지: 그림과 같이 금속판 A와 B에 전압 V가 걸려 있을 경우 A에 정지해 있던 질량이 m인 전자는 전기력을 받아 가속되어 매우 빠른 속력으로 B에 도달하게 된다. B에 도달하는 순간 전자의 운동 에너지 Ek는 전기력이 전자에 해 준 일과 같다.
② 가속 전압에 따른 전자의 물질파 파장: 전기력을 받아 가속된 전자의 속력이 v일 때 전자의 물질파 파장은 다음과 같다.
(2) 전자 현미경
① 전자 현미경에서 이용하는 전자의 물질파 파장은 광학 현미경에서 이용하는 가시광선의 파장보다 훨씬 짧아 전자 현미경은 광학 현미경보다 훨씬 높은 배율과 분해능을 얻을 수 있다.
② 광학 현미경에서 최대 배율은 약 2000배이고, 전자의 물질파 파장이 1.0nm 이하인 전자현미경의 최대 배율은 수백만 배이다.
③ 전자 현미경은 자기장에 의해 전자의 진행 경로가 휘어지는 현상을 이용하는 것으로, 코일을 감은 원통형 전자석인 자기렌즈는 전자를 초점으로 모으는 역할을 한다. 전자 현미경은 이러한 자기렌즈를 사용하여 광학 현미경처럼 물체를 확대하여 볼 수 있다.
④ 전자 현미경은 시료를 진공 속에 넣어야 하기 때문에 살아있는 생명체를 관찰하는 것이 어렵고, 얇은 시료를 만들거나 코팅을 해야 하는 준비 작업을 필요로 하지만, 높은 배율과 좋은 분해능을 얻을 수 있는 장점이 있다.
(3) 전자 현미경의 종류
① 투과 전자 현미경(TEM, Transmission Electron Microscope)
- 전자가 특별하게 제작된 얇은 시료를 통과하게 되고, 이때 시료 내부의 물질에 의해 전자가 산란되는 정도가 달라지며 시료를 통과한 전자에 의해 확대된 영상이 만들어진다.
- 전자는 눈에 보이지 않으므로 확대된 영상은 필름이나 형광면에 투사시키면 볼 수 있다.
- 투과 전자 현미경으로 관찰하는 시료는 매우 얇게 만들어져야 한다. 그렇지 않으면 투과하는 동안 전자의 속력이 느려져 전자의 드브로이 파장이 길어지므로 분해능이 떨어져 시료의 영상이 흐려진다.
- 투과 전자 현미경은 전자선이 얇은 시료를 투과하므로 평면 영상을 관찰할 수 있다.
② 주사 전자 현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)
- 전자선을 시료의 전체 표면에 차례로 쪼일 때 시료에서 튀어나오는 전자를 측정한다.
- 감지기에서 측정한 신호를 해석하여 상을 재구성한다.
- 주사 전자 현미경으로 관찰하려는 대상은 전기 전도성이 좋아야 한다. 따라서 전기 전도도가 낮은 생물과 같은 시료는 금, 백금, 이리듐 등과 같이 전기 전도도가 높은 물질로 얇게 코팅해야 한다.
- 주사 전자 현미경은 투과 전자 현미경보다 배율은 낮지만, 표면의 3차원적 구조를 볼 수 있다는 장점이 있다.
참고자료: EBS 수능 특강 물리1
