빛과 물질의 이중성 ① {광전효과}

2024.11.17 - [2024 물리학I 톺아보기] - 빛의 파동적 성질 ② {간섭}

빛의 파동적 성질 ② {간섭}

물리학Ⅰ 전개도

판서 조직도

목표 기출 문제

14년도 4월 학평 물리 1 15번

 

답: 4번

1. 빛의 입자적 성질, 광전효과

 

 

과학자들은 예전부터 금속에 빛을 쬐어주면 금속에서 전자가 튀어나오는 걸 알고 있었습니다. 파도에 사람이 튕겨 나가듯이 빛의 파동 에너지에 의해서 금속의 전자가 튕겨 나가겠거니 생각했죠. 그들은 이러한 현상에 광전효과라는 이름을 붙였습니다. 그런데 이상한 상황이 발견된 거예요. 두 종류의 빛 A, B를 금속 C에 쬐어주는 상황이었습니다. A라는 빛은 밝기를 아무리 극대화하더라도 금속 C에서 광전효과를 일으키지 못했습니다. 이건 마치 해일급 파도가 우리를 덮쳐도 우리가 꼼짝 않고 가만히 있는 것과 같아요. 반대로 B라는 빛은 밝기를 아무리 극소화하더라도 금속 C에서 광전효과를 일으키더라는 겁니다. 이건 마치 한 사람이 일으키는 물장구 때문에 옆의 사람이 하늘로 날아가는 것과 같아요. 다시 말해 광전효과는 빛이 파동이라면 설명이 되지 않는 현상입니다. 이러한 광전효과를 설명하기 위해 아인슈타인은 광양자론을 발표합니다.

 

1) 광양자론, 빛의 알갱이화

 

 

디스플레이 화면에 나타난 이미지는 여러 색상의 연속성에 의해 만들어지는 것으로 여겨지지만, 미시적 차원으로 들여다보면 불연속적인 픽셀(=화소)로 이루어져 있습니다.

 

 

연속적인 흐름을 보이는 바닷물 또한 미시적 차원으로 들여다보면 불연속적인 물 분자(=수소 원자 2개와 산소 원자 1개의 불연속적 구성으로 이루어져 있는 분자)로 이루어져 있습니다.

 

https://youtube.com/shorts/0vsAjn-1-UI?feature=share

 

관중들의 파도타기 응원을 멀찍이 바라보면 연속적인 파동처럼 보이지만, 자세히 들여다보면 각기 개별적인 사람의 움직임으로 구성되어 있습니다. 그렇다면 빛도 자세히 들여다보면 불연속적인 입자로 구성돼있지 않을까요?

 

 

아인슈타인은 빛을 연속적인 파동이 아니라 불연속적인 광자(=빛알갱이)의 흐름이라 가정했습니다. 한마디로 빛을 파동이 아닌 입자로 본 것이죠. 아인슈타인은 빛은 양자화되어 있고, 광자라는 기본량들로만 존재할 수 있다고 봤습니다. 그에 따르면 진동수 f인 빛을 이루는 광자 각각의 에너지 크기는 다음과 같습니다.

 

      E = hf  , h= 플랑크 상수

 

이에 덧붙여 아인슈타인은 빛은 광자의 집합으로써 광자 1개가 갖는 에너지가 hf이기 때문에 빛 에너지의 크기는 hf의 정수배로만 정의된다고 주장합니다.

따라서 빛은 0.6hf 또는 75.5hf와 같은 에너지를 가질 수 없죠. 이를 빛 에너지는 양자화되어 있다고 표현합니다. 

 

빛은 전자기 진동으로 발생하기 때문에 태생적으로 파동이지만 동시에 입자이기도 한, 이중적인 무언가입니다. 어쩌면 빛이 입자성을 갖게 된 건 빛이 전하라는 입자의 운동에서 비롯된 전자기적 현상이어서 아닐까요? 입자의 운동에 의해 충돌이라는 입자적 성질이 발현되는 것처럼요.

 

2) 광양자론으로 분석하는 광전효과

 

광자 1개는 금속 안에 있는 여러 개의 자유 전자와 상호작용하지 않고, 오로지 1개의 자유전자와만 상호작용합니다. 다시 말해 광자와 전자는 1대 1로만 상호작용합니다. 따라서 광자 전체가 아닌 광자 1개가 갖는 에너지만이 금속의 자유전자 탈출 여부를 결정합니다. 

 

① 광자 에너지가 금속의 일함수보다 작을 때

 

금속의 일함수 W(=hf', f'는 금속의 문턱 진동수)는 원자핵에 속박된 전자 가운데 딱 한 개를 빼낼 때 필요한 에너지를 말합니다. 광자 에너지 hf가 금속의 일함수 hf'보다 작을 때는 전자가 방출되지 않습니다. 이 경우를 진동수로도 표현합니다. 광자의 진동수 f가 금속의 문턱 진동수 f'보다 작은 경우에는 전자가 방출되지 않습니다.

 

② 광자 에너지가 금속의 일함수보다 클 때

 

광자 에너지 hf가 금속의 일함수 hf'보다 큰 경우, 다른 표현으로 광자의 진동수 f가 금속의 문턱 진동수 f'보다 큰 경우에는 전자가 금속으로부터 방출됩니다. 이때 방출되는 광전자의 최대 운동 에너지는 다음과 같이 정의돼요.

 

 

 

광전자의 최대 운동 에너지는 광자의 에너지와 금속의 일함수에 의해 결정되는 거지, 빛의 세기와는 전혀 무관합니다.

 

③ 빛의 세기를 증가시킬 때

빛의 세기가 세다는 건 빛을 이루는 광자의 개수가 많다는 뜻입니다. 이는 광자와 매칭되는 전자의 수가 많아짐을 의미하므로 빛의 세기가 셀수록 방출되는 광전자의 수가 많아집니다. 물론 광자 1개의 에너지가 금속의 일함수보다 크다는 전제하에서요.

 

3) 광전효과의 활용

① 광 다이오드

 

 

다이오드의 접합면에 빛을 비추면 광전 효과에 의해 '전자-양공'쌍이 발생해 전류가 흐릅니다. 태양광 발전에서는 광 다이오드의 일종인 태양 전지를 사용하여 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 직접 변환합니다.

 

② 전하 결합 소자(CCD)

디지털카메라 등에서 사용되는 장치로, 광전 효과에 의해 빛 신호를 전기 신호로 변환하는 소자입니다.

 

답을 찾지 못한 날 - 윤하

https://www.youtube.com/watch?v=0YVjZz-RqY8

 

어둠이 있고 밝음이 있지만 새벽이나 저녁과 같이 흐리멍덩한 시간도 있으며, 뜨겁지도 않고 차지도 않은 미지근한 상태도 있습니다. 이처럼 세상에는 획일적으로 단정 지을 수 없는 야릇한 것들 투성입니다. 이번 시간에는 빛 역시 파동이면서도 입자이기도 한 흐리멍덩한 무언가임을 배웁니다.

 

빛의 이중성이 전하는 메시지, 인생은 원래 노답이다

 

빛은 어떤 때는 파동처럼 행동하고 또 다른 때는 입자처럼 행동합니다. 종합하면 빛은 파동성과 입자성을 모두 가집니다. 그러나 희한하게도 이 성질들은 동시에 나타나지는 않습니다. 이처럼 빛은 파동이나 입자로 딱 잘라 정의할 수 없는 이중적인 무언가입니다. 만물을 드러내지만 정작 자기 자신은 드러내지 않는 빛의 이중성은 우리에게 다음과 같은 메시지를 전합니다. 우리의 인생 역시 찬란한 성공, 비극적인 실패로만 정의할 수 없는, 세상에 현존하는 어느 언어로도 규명할 수 없는 고유한 무언가이기에 애초에 정해진 답이라는 건 없다는 것. 속된 말로 인생은 원래부터 노답입니다.

 

가끔은 내가 정말 잘하고 있는 건지 의구심이 피어오르며 자신감이 가라앉습니다. 답을 좇는 방향이 맞는지, 답 자체가 맞는 건지 회의감이 들 때가 있습니다. 그런 알다가도 모를 답답함에 지치며 겁이 나기도 합니다. 때로는 "잘될 거야! 힘내!"라는 말보다 "그래 참 많이 힘들다. 나도 쉽지 않다."라는 한 마디가 와닿을 정도로 힘이 든다면 빛의 이중성이 전하는 메시지, 인생은 원래부터 노답이라는 것을 떠올려주세요. 인생은 원래 답이 없으니 답을 찾지 못해도 괜찮습니다. 그저 시간을 잘 버텨내는 그 자체만으로도 쓸모 이상의 가치를 하고 있는 겁니다. 사실 찰나의 순간에 지나지 않을 성공과 실패를 제외하면 우리 인생의 대부분은 흐리멍덩하고 미적지근한, 소위 아무것도 아닌 시간입니다. 그러나 그 시간을 아무것도 아닌 것처럼 흘려보낸다면 내 인생에는 결코 아무 일도 일어나지 않습니다. 오늘도 물리를 통해 인생을 배웁니다.

 

도전 기출 문제

20년도 6월 모평 물리1 6번

 

답: 1번