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광전효과

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1. 개요2. 기술
2.1. 상세2.2. 브라이언 그린의 비유
3. 분류4. 광전효과의 활용5. 같이 보기

1. 개요

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금속 등의 물질(입자)이 빛에 쪼이면 전자를 내놓는 현상. 금속 내의 전자는 원자핵의 (+)전하와 전기력에 의해 속박된다. 여기에 일정 진동수 이상의 빛을 비추었을 때 광자가 전자와 충돌하게 된다. 즉 광자와 충돌한 전자가 금속으로부터 튀어나오는 현상이라고 할 수 있다. 빛이 전자기파 그 자체라는 고전물리학의 패러다임으로는 설명할 수 없었던 현상이며[1] 알베르트 아인슈타인이 광양자설을 통해 빛의 입자성을 제시하면서 마침내 규명되었다. 그는 빛이란 하나하나가 진동수에 비례한 에너지를 지닌 입자의 집합이라고 보았는데 광전효과 실험을 완벽하게 설명했다.

광전효과의 존재 자체는 1887년 하인리히 루돌프 헤르츠의 음극선 실험 도중 발견되었으나 당시에 전자기학에서는 이미 빛이 파동이라는 결론이 나온 상태여서 이해할 수 없는 현상이었다. 그로부터 10년 뒤인 1897년에 필립 레오나르도의 음극선 실험에 의해서 정확하게 관측이 되었고, 러시아의 스톨레토프가 광전효과를 이용한 논문을 써내면서 광전효과의 1법칙을 정립해내게 되고 현대물리의 핵심적인 문제로 부상하게 된다. 그리고 1905년에 이르러 아인슈타인은 프랑크의 양자가설을 바탕으로 광전효과를 설명하는 데 성공한다.

흔히 아인슈타인의 최대 업적은 상대성 이론이라 하나 광전효과를 설명한 광양자설 또한 만만치 않게 거대한 업적으로 평가 받는다. 광양자설을 다른 물리학자가 세웠으면 그걸 제1업적으로 해서 지금까지 이름을 남기고 있었어도 이상하지 않을 정도다. 고전물리학을 뒤집은 일대의 센세이션이었을 뿐만 아니라 현대 물리학의 주요한 테마인 양자역학의 시초이기도 하다. 광전효과의 규명은 기존에 주류를 차지하고 있던 빛의 파동성을 반박하였고 사장되다시피 했던 입자설을 복권하였다. 이는 최종적으로 빛의 이중성을 인정받는 계기가 되었는데, 훗날 여기에 영향을 받은 드 브로이는 광자뿐 아니라 다른 물질(입자) 또한 파동성을 동시에 지닐 수 있다는 물질파 이론을 내놓는다.

아인슈타인은 광전효과에 따른 광양자설과 이론물리학에 기여한 업적으로 1921년 노벨물리학상을 수상한다.[2]

이론으로만 보면 낯설게 느껴지겠지만 실생활에서 사용되는 첨단 장비 중에는 이 이론에 기반한 기술을 쓰는 것들이 제법 있다. 태양전지도 광전효과를 응용한 기술이며[3] 촬영장비 중에도 이것을 응용한 기기가 있다.[4]

2. 기술

2.1. 상세

광전효과는 "금속에 속박(구속)된 전자가 빛에 쪼이면 방출되는 현상"이다. 이때 빛에 쪼이고 방출된 전자를 '광전자'라고 한다. 빛은 연속적인 파동이 아닌 알갱이의 형태인 양자로 보며 빛의 양자를 '광양자'라고 한다. (지금은 '광자'라고 한다.) 광자가 가지는 에너지는 다음과 같이 기술 된다.
EE = hhff
이때 EE 는 빛의 에너지, hh는 플랑크 상수, ff 는 빛의 진동수이다.

또한, 모든 금속은 자신만의 고유한 일함수(WW)와 한계진동수 (문턱진동수) (ff)를 가지는데, 일함수와 문턱진동수는 아래와 같다.
일함수 : 금속에 속박된 전자가 방출되기에 요해지는 최소 에너지
문턱 진동수 : 금속에 속박된 전자가 방출되기에 요해지는 빛의 최소진동수

빛을 쬐여 속박되있던 전자가 방출될 때 전자의 에너지는 빛의 에너지에서 금속의 일함수를 감한 값이 되며 이때의 광전자의 에너지는 아래와 같이 기술되어 진다.
EkEk=ElEl-WW=hhff-WW=12mv2\displaystyle \frac{1}{2} m v^2

2.2. 브라이언 그린의 비유

엘러건트 유니버스의 저자인 브라이언 그린은 다음과 같은 우화로 비유한다.
어떤 이 있습니다. 왕은 커다란 하나의 방에 무한에 가까운 사람들을 몰아넣었습니다.
그런데 왕은 어린이(전자)들을 너무 싫어해서, 15세 이하의 어린이들은 모두 방에서 내보내어, 반지하인 감옥(금속판)에 집어넣었습니다.
방에 남은 어른들은 창 밖으로 어린이들이 갇혀있는 것을 볼 수 있습니다.

어른(광원)들이 왕에게 어린이들을 내보내달라고 항의합니다.
그러자 왕은, 어린이들이 감옥의 간수에게 8천 원(문턱진동수=일함수)을 내면 내보내주겠다고 말합니다.
'어린이들에게 돈(에너지)이 있을 리가 없지 않느냐'는 말에, 왕은 '어른들이 창 밖으로 돈을 던져주면 되지 않겠는가'라고 이야기합니다.
그 말을 들은 어른들은 어린이들에게 돈을 던져주기(광자의 충돌)로 합니다.

그런데 어른들이 무한에 가깝게 있는 것처럼, 어린이들도 무수히 많이 있습니다.
어린이들은 감옥에서 나가기 위해 서로 돈을 받으려고 할 테죠.
그래서 한번 돈을 받은 어린이는 다른 어린이에게 밀려 다시 돈을 받을 기회를 잡기가 어려워집니다.

이때, 어린이들이 확실히 감옥에서 나올 수 있도록 하기 위해서는 어떻게 해야할까요?
바로, 8천 원 이상의 지폐를 던져주는 겁니다.
8천 원이 되지 않는, 각종 동전이나 1천 원, 5천 원짜리 지폐(진동수=에너지가 작은 )는 아무리 던져줘도 소용이 없습니다.
어린이들이 제각기 1천 원, 5천 원씩 가지게 되지만, 그 돈으로는 나갈 수도 없고, 돈을 받을 기회가 한 번밖에 없으니 그 돈을 모을 수도 없습니다.
그러니, 아예 처음부터 1만 원, 5만 원짜리 지폐(진동수=에너지가 큰 빛)를 던져주면, 그 돈을 곧바로 간수에게 지불하여 나갈 수 있게 됩니다.

정확히 엘리건트 유니버스 본문과는 조금 다른 비유정확히 원문에서는 왕이 여관주인으로 나온다이나 전체적인 형식에서는 같으며 이해를 돕는 데 무리가 없을 것이다.

3. 분류

광전효과는 식으로 볼 때는 하나지만 엄밀히 분류하면 몇 가지의 현상으로 분류 할 수 있다.
  • 광이온화: 알파선, 감마선 등과 같은 비교적 파장이 짧은 빛을 쪼였을 경우 기체분자의 원자가 전자를 내놓으면서 이온화 하는 현상. 이걸 이용한 저온 플라즈마 발생법이 연구 중에 있다.
  • 외부광전효과: 가장 주요한 광전효과. 위에서 말한 초기 광전효과의 실험에서의 관측은 거의 이 영역에서 이루어졌다.
한계진동수보다 큰 진동수의 빛은 빛의 세기에 따라서 전자를 토해내는데 일견 위에서 진동수에 의해서 세기가 정해진다는 말과 모순처럼 보일 수 있다. 하지만 이는 에너지와 전자의 양을 혼동했을 때 나올 수 있는 오류로 전자입자 하나하나가 가진 에너지의 양은 초기 빛의 진동수에 의해서 결정이 된다. 하지만 이 튀어나오는 전체 전자의 개수는 빛의 세기에 의해서 결정이 되는 것이다.
이 외부광전효과에 의해서 빛의 이중성이 입증이 되었다고 할 수 있으며 플랑크의 흑체복사에 대한 연구와 합쳐져서 양자역학이 만들어지게 된다.
현재는 광전관에 쓰이고 있다.
  • 내부광전효과: 반도체 등에 빛을 쪼이면 반도체에 포함된 불순물의 전자가 자유가전자가 되면서 양공(+홀)을 만들어내며 전도도가 상승하는 현상. 이 효과는 다시 자유가 전자와 +홀에 의해서 전도도가 상승하는 1차 내부광전효과와 이 바뀐 전자와 +홀에 의해서 반도체 구조 자체가 변화하는 2차 내부광전효과로 나뉘어진다.
현재에는 브라운관과 의료용 촬영장치를 만드는데 응용된다.
  • 광기전력 효과: 반도체 전체가 아닌 일부분에만 빛을 쪼였을 때 쪼인곳과 아닌 곳에서 전위차를 발생시키는 효과. 내부광전효과는 일부에만 쬐여도 자유가 전자들이 퍼져나가며 반도체 전체에 같은 효과를 낳는 효과가 있지만 이 광기전력 효과에 사용되는 특수한 반도체는 전체로 현상이 대전되지 않고 딱 그 일부분에만 국한된다.
태양전지와 측광장치, 센서 등에 활용된다.

4. 광전효과[5]의 활용

4.1. 광합성

식물엽록체에서 빛을 쬐면 내부광전효과가 일어나 광합성이 일어난다.

4.2. 태양전지

두 반도체를 결합한 형태로 빛을 쬐면 광기전효과가 일어나 전류가 흐르게 된다

4.3. 광다이오드

내부광전효과에 의해 변화하는 전도도를 이용해 빛을 인식하는 방법으로 작동한다.
이 원리를 반대로 이용한 것이 바로 LED다.

추가 바람

5. 같이 보기



[1] 파동의 에너지는 진폭의 제곱과 진동수의 제곱에 비례하므로 빛이 순수한 파동이라면 진동수가 약한 빛이라도 세기(진폭)가 큰 빛이면 전자가 에너지를 받아 튀어 나와야 하는데 그렇지 않다. 또 그렇게 에너지를 받아 튀어 나온다고 해도 파동은 에너지를 연속적으로 전달하므로 빛을 비춘 후 전자가 튀어 나오는 데 어느 정도 딜레이가 있어야 한다. 그러나 전자는 빛을 쏘이는 즉시 튀어나온다.[2] 그의 가장 유명한 연구인 상대성 이론으로 노벨상을 받은 것이 아니다. 상대성 이론은 실험적인 방법으로 증명할 수 있는 이론이 아니기 때문에 노벨상 후보에 오를 수 없다.[3] 사실 태양전지에서 에너지원은 UV-Vis 대역이기 때문에 들뜬 전자를 회로로 보내서 이용할 뿐이지, 광전효과에서 말하는 금속에서 방출되는 전자를 이용하는 것은 아니기 때문에, 광전효과를 응용한 기술이라고 보기에는 조금은 과장된 측면이 있다.[4] 영화에서 화면과 음향이 일치되도록 하는 장치인 사운드 트랙에 사용된다.[5] 아래의 활용 대부분은 외부광전효과가 아닌 내부광전효과 혹은 광기전효과의 응용이다. 태양에서 제일 풍부하게 공급되는 가시광선 대역의 빛은 대부분의 금속에서 광전효과를 일으킬 만한 에너지를 가지고 있지 않다.

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