광전 효과
(1) 광전 효과
① 1887년 헤르츠는 전자기파 검출 실험에서 방전 전극에 자외선을 비추면 방전이 잘 일어나는 것을 발견하였고, 음극선의 본질이 전자의 흐름이라는 것을 밝힌 톰슨(J. J. Thomson)은 빛에 의하여 금속 표면에서 튀어나오는 입자가 전자라는 것을 입증하였다.
② 빛에 의해 금속 표면에서 전자가 방출되는 현상을 광전 효과라 하고, 방출된 전자를 광전자라고 한다.
(2) 광전 효과 실험
① 그림과 같이 광전관에서 빛을 비추어주는 금속판에 전원의 (-)극을 연결하여 순방향 전압을 걸어 주면 광전자는 오른쪽으로 전기력을 받고, 빛을 비추는 금속판에 전원의 (+)극을 연결하여 역방향 전압을 걸어 주면 광전자는 왼쪽으로 전기력을 받는다.
② 광전류와 광전자
- 광전관의 금속판에 빛을 비추면 금속판에서 광전자가 튀어나와 회로에 전류가 흐르게 된다. 이 전류를 광전류라 하고, 빛에 의해 금속판에서 튀어나온 전자를 광전자라고 한다.
- 순방향 전압을 걸어 주고 금속판에 특정 진동수보다 큰 진동수의 빛을 비추면 광전자가 튀어나와 회로에 전류가 흐른다. 이때 전압을 증가시켜도 전류의 세기는 거의 변하지 않는다. 그러나 역방향 전압을 걸어 주고 전압을 증가시키면 반대편 금속판에 도달하는 광전자의 수는 줄어들게 되어 광전류의 세기는 감소한다.
(3) 광전 효과 실험 결과
① 광전자는 특정한 진동수보다 큰 진동수의 빛을 비출 때 방출된다. 이 특정한 진동수를 문턱(한계) 진동수라고 하며, 문턱(한계) 진동수는 금속의 종류에 따라 다르다.
② 문턱(한계) 진동수보다 작은 진동수의 빛은 아무리 센 빛을 비춰도 광전류가 흐르지 않는다. 그러나 문턱(한계) 진동수보다 큰 진동수의 빛을 비추는 즉시 광전자가 방출되고, 빛의 세기가 증가할수록 광전류의 세기는 증가한다.
③ 금속 표면에서 방출된 광전자의 최대 운동 에너지(Ek)는 비춰진 빛의 세기에는 관계없고,비춰진 빛의 진동수에 따라 변한다.
④ 비춰진 빛의 진동수와 광전자의 최대 운동 에너지(Ek)의 관계 그래프의 기울기는 플랑크 상수 h로 금속의 종류에 관계없이 일정하다.
(4) 빛의 파동 이론의 한계
① 파동 이론에 의하면 빛의 진동수가 아무리 작아도 빛의 세기를 증가시키거나 오래 비추면 금속 내의 전자는 충분한 에너지를 얻기 때문에 금속 표면으로부터 방출되어야 한다. 그러나 문턱(한계) 진동수보다 작은 진동수의 빛을 아무리 세게, 오래 비추어도 광전자는 방출되지 않고, 문턱(한계) 진동수보다 큰 진동수의 빛을 비추면 시간 지연 없이 광전자는 즉시 방출된다.
② 파동 이론에 의하면 광전자의 최대 운동 에너지(Ek)는 빛의 세기와 관계가 있어야 한다. 그러나 광전자의 최대 운동 에너지(Ek)는 빛의 진동수에만 관계가 있다.
아인슈타인의 광양자설
(1) 광양자설
① 1905년 아인슈타인은 플랑크가 제안한 양자설을 이용하여 ‘빛은 연속적인 파동 에너지의 흐름이 아니라 광자(광양자)라고 부르는 불연속적인 에너지를 가진 입자의 흐름이다.’라는 광양자설로 광전 효과를 설명하였다.
② 광양자설에 의하면 진동수 f인 광자 1개의 에너지 E는 다음과 같다.
(2) 광양자설에 의한 광전 효과 해석
① 문턱(한계) 진동수와 일함수: 진동수가 f인 빛을 금속 표면에 비추면 hf의 에너지를 가진 광자가 금속 표면의 전자와 충돌하여 광자의 에너지 전부를 전자에 주어 금속 표면의 전자를 외부로 떼어낸다. 이때 금속 표면의 전자를 외부로 떼어내는 데 필요한 최소한의 에너지를 일함수(W)라 하고, 일함수와 같은 에너지를 가진 광자의 진동수를 문턱(한계) 진동수( f0 )라고 한다.
② 광전자의 최대 운동 에너지와 빛의 진동수: 문턱(한계) 진동수가 f0인 금속 표면에 진동수가 f인 빛을 비출 때 방출되는 광전자가 가지는 최대 운동 에너지(Ek)는 다음과 같다.
물질파
(1) 드브로이 물질파
(2) 물질파의 확인
보어 원자 모형과 물질파
(1) 보어 원자 모형: 러더퍼드 원자 모형에서 원자의 안정성 문제, 선 스펙트럼 문제 등의 한계점을 해결하기 위해 두 가지 가설을 적용하여 새로운 원자 모형을 제시하였다.
(2) 보어 원자 모형에 드브로이 물질파 이론의 적용
참고자료: EBS 수능특강 물리2
