아이슈타인(Einstein) 광양자 이론(Light Quantum Theory), 광전효과(Photoeletric Effect) + 플랑크 법칙

 

 

▶ 막스 플랑크(Max Planck) , 광양자 이론

 

플랑크는 불연속적인 에너지 값을 갖는 어떤 양자가 존재하는 것을 발견했다.

광이나 열에너지는 불연속적으로 방사 또는 흡수 되며, 에너지 양자의 크기는 E = hv 라 정의함

 

양자(Quantum)가 불연속적인 값을 가진다는 것은 이때의 최소값을 하나의 입자로 간주할 수 

있기에 빛은 즉 입자 라는 생각을 하게 되었다

 

 

 

  ▶ 아이슈타인(Einstein) , 광양자 이론

 

  위의 막스 플랑크는

  물체의 온도(T)와 빛의 스펙트럼(Spectrum) 의 관계를 흑체로부터 플랑크 상수(h) 를 도입해

  고유의 진동수를 가진 빛의 최소 에너지 값을 구하면서 양자(Quantum) 라는 개념을 적용했다

 

  여기에 아이슈타인은 특정 진동수의 빛은 그 진동수에 비례하는 에너지를 갖는 입자인

  광자(Photon) 로 구성된다는 이론을 냈다. 즉 빛은 파동이 아닌 입자의 성질도 가지는 것 으로

  보는 양자역학적 관점이다.

 

 

 

▶ 아이슈타인(Einstein), 광전 효과(Photoeletric Effect)

 

빛은 파동성, 입자성을 모두 갖는 데 입자성으로 인해 금속에 빛을 가할 때

금속으로부터 전자가 방출되는 현상 이다

 

이때 금속의 고유파장보다 짧은 파장의 빛이 금속에 가해졌을 때 ( 문턱 진동수 ↑ )

전자를 내보는데 이때의 방출된 전자를 광전자(Photoelectron) 라고 한다.

 

 

「 Photon 1개의 에너지 = Energy = hv 」라고 정의하고,

 Photon 1개가 가지고 있는 Energy에 의해 방출되는 전자의 운동 에너지가 달라지는 것이다

 그리고 아이슈타인은 어떤 값 이상의 hv 값을 가져야 전자가 방출된다고 한다

 

 

 

  ▷ 광자 방출 과정 ( Photoemission Process )

 

  위의 금속(Metal) 내의 전자가 일함수(Work Function, qφm) 이상의 광자 에너지(hv) 를 흡수하면 빛이

  방출이 된다, 반대로 광자 에너지(hv) 가 너무 낮다면 전자는 방출될 수 없다.

 

  금속 표면에서 전자를 방출하기 위한 최소한의 에너지를 일함수(Work Function, qφm) 라 보면 된다

 

 

  Photoelectron Effect 를 일으키는 진동수가 있으며 이 진동수인 광만이 전자를 방출하며

  최소한의 에너지는 hv 이다. 방출된 전자의 운동에너지(E=1/2mv^2) 는 입사광의 진동수(v) 가 클수록 커진다.

  

  즉, 금속 내의 전자가 광자와 충돌하여 hv 인 에너지를 얻어 금속의 일함수(qφm) 를 뛰어넘어

  외부로 나오게 되면 광전자의 운동에너지 식이 나오게 된다

 

  금속에서 전자를 때어내고 남은 에너지는 전자의 운동의 에너지가 된다.

 

  빛은 광자라는 알갱이로 이루어져 있고, 광자 각각이 가지는 에너지가 크면 클수록

  충돌하여 방출되는 전자의 에너지가 크다는 것이다.

 

 

 

 

뉴턴의 고전 물리학은 광전효과를 설명할 수 없는 한계를 갖고 있다.

빛을 파동(Wave) 로 생각하던 과거에서는 빛이 충돌하여 전자를 튕겨나오게 하는 것에

대해 설명할 수 없었기 때문이다.

 

아이슈타인은 빛의 입자성을 가정함으로써 설명해

1921 노벨 물리학상을 수상했다.