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빛은 입자일까? 파동일까?
우리가 '상대성 이론'으로 잘 아는 아인슈타인은 상대성 이론으로는 노벨 물리학상을 받지 못했다. 그러나, '광전효과'로 노벨 물리학상을 받았는데, 그만큼 광전 효과를 통계 물리학계에 엄청난 영향을 미쳤다는 뜻이다.
광전효과(Photoelectric Effect)
광전 효과는 빛이 가지는 '입자성'을 이용한 현상으로, 금속판에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추게 되면 전자가 튀어나오는 현상이다.
아인슈타인은 광전 효과 실험에서, 크게 두 가지 상황을 확인할 수 있었다.
첫째는, 진동수가 낮을 때 전류가 흐르지 않으며, Intensity(빛의 세기)를 증가시켜도 photon 의 수만 증가 한다는 것이었다.
두 번째는, 진동수가 높을 때는 전류가 흐르며, Intensity(빛의 세기)를 증가시켜도 운동에너지가 증가하지 않으며 오직 photon의 수만 증가한다는 것이었다.
따라서, 위의 실험의 내용을 정리하면 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.
빛의 세기는 Photon의 수와 비례하며, 진동수는 에너지와 비례한다는 것이었다.
이것을 통해 다음과 같은 식 또한 얻어낼 수 있었다.
즉, 광전효과로 알 수 있는 사실을 정리하면 다음과 같다.
1. 빛은 입자이다.
2. E는 양자화 되어있다. (E = hv)
이때의 ℎ 값은 Plank Constant이다.
에너지는 플랑크 상수( ℎ )와 진동수(v)의 곱에 비례하며, 플랑크 상수 ℎ 의 값은 ℎ = 6.63×10-34이다.
위의 플랑크 상수를 2pi로 나눈 값을 Reduced Plank Constant( ħ )라고 하며, 이 역시 많이 사용되는 개념이다.
추가로 에너지의 양자화란, 입자가 불연속적인 특정 Energy 값 만을 가질 수 있다는 개념이다. 고전 역학과 대비되는 양자 역학의 주요 특징이자, 파동-입자의 이중성과 관련있는 개념이기도 하다.
이해를 확인하기 위해 예제 문제 하나를 살펴보자.
Determine the energy (in eV) of a photon having a wavelength of (a) λ= 100 Å (b) λ= 4500 Å
광전효과에 관한 문제로, E = hv 식에 대입하면 쉽게 풀 수 있는 문제이다.
풀이는 아래와 같다.
참고하면 좋을 링크를 하나 첨부하겠다.
https://news.samsungdisplay.com/27157
플랑크의 양자 가설을 빛에 적용하다! 빛의 정체를 밝혀낸 아인슈타인의 '광전 효과'란?
20세기 물리학의 발전에 가장 큰 기여를 한 과학자로 평가받는 아인슈타인의 가장 위대한 성과는 아마 상대성 이론일 것이다. 빛의 속도는 절대적이며, 시공간은 상대적으로 달라진다는 그의
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