1. 개요
光電效果 / Photoelectric effect
광전효과는 금속 등의 물질(입자)이 빛에 쪼이면 전자를 방출하는 현상이다. 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.
광전효과는 1887년 하인리히 루돌프 헤르츠의 음극선 실험 도중 발견되었으나 당시에 전자기학에서는 이미 빛이 파동이라는 결론이 나온 상태여서 설명할 수 없는 현상이었다. 그로부터 10년 뒤인 1897년에 필리프 레나르트의 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 이론이라고 하지만 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. 본래 빛이 파동의 형태인지 아니면 입자의 형태인지에 대한 논쟁은 물리학계에서 아주 오래된 논쟁이었다. 광전효과의 규명을 통해서 최종적으로 빛은 파동과 입자의 성격을 모두 가진다는 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. 설명
광전효과는 금속에 속박(구속)된 전자가 빛에 쪼이면 에너지를 얻어 방출되는 현상이다. 이때 빛에 쪼이고 방출된 전자를 '광전자'라고 한다. 광양자설에서 빛은 연속적인 파동이 아닌 알갱이의 형태인 양자로 보며 빛의 양자를 '광양자' 또는 '광자'라고 한다. 광자가 가지는 에너지는 다음과 같다.[math(E = hf)]
이때 [math(E)]는 빛의 에너지, [math(h)]는 플랑크 상수, [math(f)]는 빛의 진동수이다.또한, 모든 금속은 자신만의 고유한 일함수([math(W)])와 한계진동수(문턱진동수, [math(f_0)])를 가진다. 일함수와 한계진동수는 각각 금속에 속박된 전자가 방출되게 하는 빛의 최소한의 에너지와 진동수를 의미한다.
빛을 쬐여 속박돼있던 전자가 방출될 때 전자의 에너지는 빛의 에너지에서 금속의 일함수를 뺀 값이 된다. 따라서 광전자의 최대 운동에너지는 아래와 같다.
[math(E_{\rm k}=E_{\rm l}-W=hf-W=\dfrac{1}{2} mv^2)]
이때 [math(E_{\rm l})]과 [math(f)]는 각각 광자의 에너지와 진동수이고, [math(m)]과 [math(v)]는 각각 광전자의 질량과 속도이다.2.2. 브라이언 그린의 비유
브라이언 그린은 저서 엘러건트 유니버스에서 다음과 같은 우화로 비유했다.어떤 왕이 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(낮은 진동수=에너지가 작은 빛)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(높은 진동수=에너지가 큰 빛)를 던져주면, 그 돈을 곧바로 간수에게 지불하여 나갈 수 있게 됩니다.
본문과는 조금 다른 비유그런데 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(낮은 진동수=에너지가 작은 빛)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(높은 진동수=에너지가 큰 빛)를 던져주면, 그 돈을 곧바로 간수에게 지불하여 나갈 수 있게 됩니다.
3. 분류
광전효과는 식으로 볼 때는 하나지만 엄밀히 분류하면 몇 가지의 현상으로 분류할 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 군사용 야간투시경의 핵심부품인 영상증배관 및 광전관을 만드는 데 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. 광전효과의 활용
광전효과의 상업적 활용은 대부분 외부광전효과가 아닌 내부광전효과 혹은 광기전효과를 응용한 것이다. 태양에서 제일 풍부하게 공급되는 가시광선 대역의 빛은 대부분의 금속에서 광전효과를 일으킬 만한 에너지를 가지고 있지 않기 때문이다. 물론 아래 예시와 같이 외부광전효과도 실생활에 쓰이긴 한다.4.1. 야간투시경
외부광전효과를 직접 활용하여 입사된 적외선의 일부를 전자로 변환, 이 전자를 형광등의 원리로 가시광선으로 변환해 빛이 거의 없는 어둠 속에서도 사물을 구별할 수 있게 해준다. 태양에서 제일 풍부하게 공급되는 가시광선 대역의 빛은 세슘을 제외한 대부분의 금속에서 광전효과를 일으킬 만한 에너지를 가지고 있지 않기 때문에 야간투시경의 핵심부품인 영상증배관의 광음극에는 세슘 합금이 들어간다. 사실 세슘조차도 야간의 적외선만으로는 외부광전효과가 일어나지 않는지라 일함수를 최대한 낮추기 위해서 세슘 합금을 사용한다.요즘 생산되는 영상증배관은 세슘 기반 광음극에 한계를 느끼고 GaAs 기반 광음극을 사용중이다. 우주선에 탑재되는 초고효율 태양전지를 만들 때 쓰이는 그 비싼 소재 맞다. 주간에 작동하는 태양전지와 달리 영상증배관은 야간에 작동할 것을 염두에 두고 만들기에 태양전지보다 훨씬 적은 에너지에도 반응하는(일함수가 작은) 특수한 물질로 만들어야해서 가격이 실리콘 태양전지에 비해 매우 비싸다. 우주용 태양전지를 영상증배관과 같은 재료로 만든다는 사실만 봐도 알 수 있다.
전자의 흐름만 발생시키면 되는 발광 다이오드, 태양전지와 달리, 야간에 사물을 인식하기 위해 자연환경에서 직접 입사된 빛을 사용해야만 하므로 외부광전효과를 이용한다.
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.5. 관련 인물
- 알렉산드르 베크렐
- 1839년에 알렉산드르 베크렐은 빛에 노출된 전도 용액을 통해 광전 효과를 관찰하였다.
- 윌러비 스미스
- 1873년에 영국의 전기 기사였던 윌러비 스미스가 셀레늄이 광전도성을 띰을 발견하였다.
- 하인리히 루돌프 헤르츠
- 1887년에 하인리히 루돌프 헤르츠의 음극선 실험 도중 새로운 발견을 하였다.
- 스톨레토프
- 1888년~1891년, 발견 및 광전효과의 제 1법칙 등
- 필립 레오나르도
- 1897년에 필립 레오나르도의 음극선 실험에 의해서 정확하게 관측이 되었다.
- 플랑크
- 1900년 플랑크는 복사에너지가 광양자의 형식으로만 존재할 수 있다고 발표했다.
- 레나르트
- 1902년 빛의 진동수가 커지면 전자의 에너지가 커지는 것을 발견하다.
- 알베르트 아인슈타인
- 1905년에 이르러 아인슈타인은 플랑크의 양자가설을 바탕으로 광전효과를 설명하는 데 성공하였다.
- 로버트 밀리컨
- 1912~1915년에 광전효과를 연구하여 아인슈타인의 광전자의 에너지와 진동수 사이의 관계식을 실험적으로 증명함으로써 광전자효과에 의한 플랑크 상수를 최초로 결정했다.
- 루이 드 브로이
- 영향을 받은 드 브로이는 1924년에 광자뿐 아니라 다른 물질(입자) 또한 파동성을 동시에 지닐 수 있다는 물질파 이론을 발표했다.
6. 기타
라즈베리 파이 2에 들어가는 SMPS 칩은 의도치 않게 기판이 노출된 채로 만들어져 버렸고, 카메라 플래시를 터트리면 SMPS칩에 광전효과가 발생해 라즈베리 파이가 작동을 멈춘다고 한다.7. 같이 보기
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[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 당시로서는 실험적인 방법으로 증명할 수 없었기 때문에 노벨상 후보에 오를 수 없었다.[3] 사실 태양전지의 에너지원은 UV-Vis 대역이므로 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.