물리학 고2 빛과 물질

광전 효과

Q: 왜 '광자 두 개를 동시에 흡수'는 안 되나요?

보통의 빛 세기에서는 한 전자가 두 광자를 동시에 만날 확률이 사실상 0이기 때문입니다. 광자의 밀도가 극단적으로 높은 강한 레이저에서는 다광자 흡수가 실제로 관측되지만, 교과서의 광전 효과 실험 조건에서는 일어나지 않습니다.

Q: 튀어나온 전자의 속도가 모두 같지 않은 이유는 무엇인가요?

금속 표면 바로 아래 있던 전자는 딱 W만 내고 나오지만, 더 깊은 곳의 전자는 나오는 길에 다른 원자들과 부딪혀 에너지를 잃습니다. 그래서 hf - W는 최대 운동에너지이고, 실제 전자들은 0부터 이 값 사이에 분포합니다.

Q: 태양전지도 광전 효과인가요?

원리는 같은 뿌리입니다. 다만 태양전지는 전자를 금속 밖으로 완전히 떼어내는 것이 아니라, 반도체 안에서 전자를 띠 사이로 들뜨게 해 전류를 만듭니다 — 에너지띠와 반도체와 p-n 접합의 이야기로 이어집니다.

빛이 에너지 양자(광자)로 이루어짐을 광전 효과 실험으로 확인하고 광자 에너지(E=hf)를 이해한다.

금속에 빛을 쬐면 전자가 튀어나오는 현상으로, 빛의 밝기가 아니라 진동수가 문턱을 넘어야만 일어난다는 점에서 빛이

E = h f

의 광자로 이루어졌음을 보여 줍니다.

탁구공 수천 개를 던져도 볼링핀은 안 쓰러지지만, 볼링공 하나면 쓰러집니다. 전자를 떼어내는 것은 '빛의 총량'이 아니라 '광자 한 개의 힘'입니다.

쉽게 말하면

빛이 파동이라면 이렇게 예측해야 합니다. (1) 빛을 밝게 하면 에너지가 쌓여 어떤 색이든 결국 전자가 튀어나온다. (2) 어두운 빛에서는 에너지가 모일 때까지 시간이 걸린다. (3) 밝게 할수록 튀어나온 전자가 더 빠르다.

실험은 세 가지 모두 틀렸다고 말합니다. 금속마다 정해진 문턱 진동수 $f_{0}$ 보다 낮은 빛은 아무리 밝게, 아무리 오래 쬐어도 전자가 단 하나도 나오지 않습니다. 반대로 $f_{0}$ 를 넘으면 아주 어두워도 즉시 튀어나옵니다. 그리고 튀어나온 전자의 최대 운동에너지는 밝기와 무관하고 진동수에만 비례합니다.

아인슈타인의 설명은 광자 (포톤) 하나면 충분합니다. 전자는 광자 한 개를 통째로 흡수합니다. 금속에 붙들린 전자를 떼어내는 데 필요한 최소 에너지를 일함수 $W$ 라 하면, 남는 에너지가 운동에너지가 됩니다.

$E_{k, m a x} = h f - W, W = h f_{0}$

$h f < W$ 이면 광자 하나로는 전자를 못 떼어냅니다. 빛을 밝게 하는 것은 그런 무력한 광자의 수를 늘리는 것일 뿐이라, 백 배 밝게 해도 여전히 아무 일도 일어나지 않습니다. 반면 밝기를 올리면 튀어나오는 전자의 개수는 비례해서 늘어납니다 — 광자 하나당 전자 하나이니까요.

이 현상은 흑체 복사의 양자 가설을 빛 자체의 성질로 승격시켰고, 태양전지·광센서·자동문의 원리가 되었습니다. 원자에서 전자를 떼어내는 데 최소 에너지가 필요하다는 발상은 화학의 이온화 에너지와 정확히 같은 구조입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

문턱 진동수

$W = h f_{0}$

일함수가 큰 금속일수록 문턱 진동수가 높습니다. 세슘처럼 일함수가 작은 금속은 가시광선으로도 전자가 나오지만, 일함수가 큰 금속은 자외선이라야 반응합니다. 그래서 광센서마다 감지하는 빛의 색이 다릅니다.
예시 2

정지 전압으로 최대 운동에너지 재기

$e V_{s} = E_{k, m a x} = h f - W$

튀어나온 전자를 되밀어 전류가 0이 되게 하는 전압 $V_{s}$ 를 재면 최대 운동에너지를 알 수 있습니다. $V_{s}$ 를 진동수 $f$ 에 대해 그리면 직선이 나오고, 그 기울기가 $h / e$ 입니다 — 플랑크 상수를 실험으로 재는 방법입니다.
예시 3

빛을 밝게 하면 무엇이 변하는가

튀어나오는 전자의 개수(즉 광전류)는 밝기에 비례해 늘어납니다. 하지만 전자 하나의 최대 운동에너지는 조금도 변하지 않습니다. 밝기와 진동수가 서로 다른 두 가지를 조절한다는 것 — 이것이 광전 효과가 남긴 가장 중요한 결론입니다.

자주 하는 오해

빛을 오래 쬐면 에너지가 쌓여 결국 전자가 나온다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움문턱보다 낮은 진동수라도 오래 쬐면 에너지가 축적되어 언젠가 전자가 튀어나온다

실제로는아무리 오래, 아무리 밝게 쬐어도 전자는 하나도 나오지 않습니다.

전자는 광자를 하나씩만 흡수합니다. 에너지가 모자란 광자를 아무리 많이 받아도 그 에너지는 곧 열로 흩어질 뿐 쌓이지 않습니다. '에너지가 쌓인다'는 생각은 빛을 연속적인 파동으로 볼 때의 예측이고, 실험은 이를 부정했습니다.

일함수를 '전자가 튀어나온 뒤의 운동에너지'와 헷갈리기

이렇게 생각하기 쉬움

h f

가 전부 운동에너지가 된다 / 일함수만큼이 운동에너지다

실제로는

h f

는 광자가 준 에너지 전부이고, 그중

W

는 금속을 탈출하는 데 쓰이며, 남은

h f - W

가 최대 운동에너지입니다.

W

는 '나오는 데 드는 통행료'입니다. 통행료를 낼 수 없으면 못 나오고, 내고 남은 돈만 손에 쥡니다. '최대'가 붙는 이유는 금속 안쪽 깊은 곳의 전자는 나오면서 추가로 에너지를 잃어 이보다 느리게 나오기 때문입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

광자 (포톤)고2 흑체 복사고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

물질파(드브로이파)고2 보어 원자 모형고2 에너지띠와 반도체고2

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

이온화 에너지고2

같은 단원의 개념 — 빛과 물질

자주 묻는 질문

Q1왜 '광자 두 개를 동시에 흡수'는 안 되나요?

보통의 빛 세기에서는 한 전자가 두 광자를 동시에 만날 확률이 사실상 0이기 때문입니다. 광자의 밀도가 극단적으로 높은 강한 레이저에서는 다광자 흡수가 실제로 관측되지만, 교과서의 광전 효과 실험 조건에서는 일어나지 않습니다.

Q2튀어나온 전자의 속도가 모두 같지 않은 이유는 무엇인가요?

금속 표면 바로 아래 있던 전자는 딱

W

만 내고 나오지만, 더 깊은 곳의 전자는 나오는 길에 다른 원자들과 부딪혀 에너지를 잃습니다. 그래서

h f - W

는 최대 운동에너지이고, 실제 전자들은 0부터 이 값 사이에 분포합니다.

Q3태양전지도 광전 효과인가요?

원리는 같은 뿌리입니다. 다만 태양전지는 전자를 금속 밖으로 완전히 떼어내는 것이 아니라, 반도체 안에서 전자를 띠 사이로 들뜨게 해 전류를 만듭니다 — 에너지띠와 반도체와 p-n 접합의 이야기로 이어집니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 물리학 · 빛과 물질 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

오류 신고하기

빛이 입자성을 가진다면, 반대로 입자도 파동성을 가지지 않을까요? 물질파(드브로이파)로 넘어가세요.

전체 연결 구조가 궁금하다면

초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.

광전 효과 지도에서 확인하기 →