광전효과, 빛의 입자성, 光電效果, photoelectric effect
아인슈타인이 빛의 입자성으로 설명한 현상.
금속에 한계진동수 이상의 빛을 쪼이면 전자가 튀어나옴(전류가 흐름)
[1] 광전효과
광전자: 광전효과에 의해 금속에서 튀어나온 전자
광전류: 광전효과에 의해 흐르는 전류
한계진동수(=문턱진동수) 이상의 빛 쬐면 ☞ 전류 흐름
㉮ 진동수 더 높이면 ☞ 전류 일정(전류 증가하지 않음)
㉯ 빛 밝게하면(세기변화) ☞전류 증가함.
★ 전류 유/무: 한계진동수 이상/미만과 관련
★ 전류 세기: 빛의 밝기와 관계(진동수와 무관)
(한계진동수 미만에서는 아무리 밝은 빛이어도 광전류=0)
[파동성으로 설명 불가]
한계진동수 아래의 빛을 쪼여도 오랜시간 쪼이면 광전자가 방출되어야함. 한계진동수 미만의 빛에는 오랜 시간이 흘러도 또는 아무리 밝은 빛에 노출되어도 광전류 흐르지 않음.
[입자성으로 설명 가능]
한계진동수 이상의 빛에는 즉각 전류가 흐름.
한계진동수 이상에서 진동수를 더 높여주어도 전류의 세기가 증가하지 않음. 이를 아인슈타인은 광자 1개와 금속의 전자 1개가 1:1충돌하는것으로 설명. 빛의 밝기를 증가하면 광자의 개수가 증가하여 금속에서 튀어나오는 광전자의 개수가 증가하고 전류의 세기도 증가한다고 설명함.
(광전자의 최대운동에너지)
= (쪼여준 광자의 에너지) - (금속의 일함수)
㉮ 일함수: 금속에서 전자를 떼어내기 위해 필요한 최소 에너지
㉯ 한계진동수: 전자 떼기 위해 필요한 광자의 최소 진동수
㉰ 최대파장: 전자 떼기 위해 필요한 광자의 최대 파장
금속마다 일함수가 다르며 일함수가 작으면 작은 에너지로도 광전효과 발생, 한계진동수 이상의 광자에서 전류흐름. 최대파장 이하의 광자에서 전류 흐름.
그래프
[전자의 최대운동에너지-진동수 그래프]
한계진동수 이상의 광자에서부터 전자의 최대운동에너지 증가하기 시작
㉮ 기울기 : 플랑크상수(h)
㉯ x절편: 한계진동수
㉰ y절편: 일함수
[전자의 최대운동에너지-진동수 그래프]
특정 파장 미만의 광자부터 광전자의 최대운동에너지 증가하기 시작
저지전압(정지전압)[V] → 전자의 최대운동에너지[eV]
광전효과에 의해 발생한 광전자의 최대운동에너지를 측정할 수 있는 실험.
1. 광전류와 반대의 전압을 걸어준다.
2. 반대의 전압을 점점 크게 걸어준다.
3. 광전류가 점점 감소하다 0이 된다.
4. 광전류가 0이 될때의 반대로 걸어준 전압이 저지전압이다.
광전효과는 태양광발전, 광센서 등에 이용된다.
광전효과는 금속 등의 물질(입자)이 빛에 쪼이면 전자를 내놓는 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 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.
이론으로만 보면 낯설게 느껴지겠지만 실생활에서 사용되는 첨단 장비 중에는 이 이론에 기반한 기술을 쓰는 것들이 제법 있다. 태양전지도 광전효과를 응용한 기술이며 촬영장비 중에도 이것을 응용한 기기가 있다.
What is Photoelectric Effect?
The photoelectric effect is a phenomenon in which electrons are emitted from a metal surface when it is exposed to light. These emitted electrons are called photoelectrons. However, it is very important to note that the emission of photoelectrons and the kinetic energy of the emitted photoelectrons are dependent on the frequency of light that is incident on the metal surface.
The process by which photoelectrons are emitted from a metal surface due to the action of light is commonly called photoelectric emission.
What is Photoelectric Effect? Explained
We will discuss more about photoelectrons, and photoelectric emission further, but to truly know the significance of the photoelectric effect it is essential to first delve deeper into its historical context.
Discovery of the Photoelectric Effect
Albert Einstein's profound insight and groundbreaking theory revolutionized our comprehension of light and its interaction with matter. But before he explained the photoelectric effect, several scientists made similar observations but were unable to clarify the concept.
For example, Max Planck's work on black-body radiation and his concept of energy quanta set the stage for the Photoelectric Effect's interpretation. Hertz's experiments with electromagnetic waves paved the way for further investigations into the nature of light.
In 1887, the photoelectric effect was first noticed by German physicist Heinrich Rudolf Hertz, while conducting experiments related to radio waves. He noticed that in a vacuum tube, sparking takes place when two metal electrodes are shone with ultraviolet light, and there is a voltage change because of the light. He thought that the UV rays generated a large number of charged particles in the tube, which can be identified as the cause of sparking.
In 1902, Philip Lennard provided additional clarification regarding the relationship between electricity and light, further proving the theory of the photoelectric effect. Lenard's experiments and controversial views sparked a debate that ultimately led to a deeper understanding of the Photoelectric Effect.
Now before going to Einstein's photoelectric equation let's know some basic concepts about the photoelectric effect.
Important Concepts in Photoelectric Effect
Photoelectric emission:
When light of a suitable wavelength is incident on a metal surface, electrons are ejected from it, this phenomenon is called photoelectric emission.
Electrons emitted in photoelectric emission are called photoelectrons. With suitable arrangements, a unidirectional current of photoelectrons can be produced, the resulting electric current is called photoelectric current.
Work Function:
The minimum amount of energy needed for an electron to escape from the surface of a metal is called the work function of the metal. It is represented by the symbol W0.
This work function parameter depends only on the nature of the metal, not on how the electron gained energy. It is usually measured in units of electron volts (eV).
Alkali metals such as sodium, potassium, etc. have lower work function than other metals, but nowadays some alloys are used which are more convenient for photoelectric emission.
Stopping Potential:
The minimum negative potential or voltage applied to the anode to stop the photoelectric current is called the cut-off or stopping potential. It is represented by the symbol V0.
The stopping potential (V0) does not depend at all on the intensity of the incident light. As the incident light intensity increases only the value of the photoelectric current increases.
Irrespective of the intensity of the incident light, the value of the stopping potential remains the same for the light of a particular frequency.
Threshold frequency:
The minimum frequency of light that emits electrons or causes photoelectric emission from a metal surface when light falls on it is called threshold frequency. It is represented by the symbol 𝜈₀.
The maximum wavelength corresponding to this minimum frequency (𝜈₀) is called the threshold wavelength (𝜆₀ = c/𝜈₀). (where c = speed of light).
The higher the frequency of the incident light, the higher the stopping potential or maximum kinetic energy of the photoelectrons. This is why practically UV light is always applied to metal surfaces because UV light has a higher frequency and shorter wavelength than visible light.
Alkali metals (sodium, potassium, cesium, etc.) emit photoelectrons even when exposed to light of very low frequency.
Explanation of Photoelectric Effect
Max Planck proposed that the energy of electromagnetic radiation (like light) is quantized, meaning it comes in discrete packets called "quanta".
He introduced the Planck constant (h) to describe this relationship: E = h𝜈, where E is the energy, h is Planck's constant, and 𝜈 is the frequency of the radiation.
Planck's theory successfully explained the spectral distribution of energy emitted by a blackbody, which classical physics had failed to do.
Einstein's photoelectric equation:
Albert Einstein extended Planck's idea to explain the photoelectric effect, where electrons are emitted from a material when it's exposed to light.
He proposed that light incident on the metal surface as a stream of photon particles. The energy of each photon particle for light of frequency 𝜈, E = hv (where h = Planck's constant).
The incident photon collides with the electron of the metal. This collision can have two outcomes: either the photon is reflected with all the energy (h𝜈) or the entire energy (h𝜈) is transferred to the electron.
So it is clear that Einstein fully utilized the quantum theory of radiation to analyze the photoelectric effect.
When the entire energy (h𝜈) of the incident photon is transferred to the electrons of the metal, it is spent in two ways:
A fraction is spent ejecting the electron from the metal. Its minimum value is equal to the work function W₀ of the metal surface. However, more energy than W₀ is required to eject more electrons due to the interaction of positive and negative charges in the metal.
The remainder is converted into the kinetic energy of the emitted electrons. These moving electrons are photoelectrons, which can cause photoelectric currents.
If the energy taken by the electron to leave the metal surface is minimum i.e. W₀, then the emitted electron attains maximum kinetic energy (Emax).