현대 물리 6강 : 광전효과 - 일함수

지난 시간까지 흑체복사에 대해 공부했다.

 

이번 강의 부터는 광전 효과에 대해 알아보자.

 

먼저 일함수라는 것을 아는 것이 중요한데, 일함수란 금속이 가지는 고유한 에너지로서

 

특정 에너지를 금속에 가했을때 금속에서 전자가 빠져 나오기 위한 최소 에너지이다.

 

예를 들어 어떤 금속의 일함수가 4eV(전자 볼트)라 가정해보자.

 

이때 이 금속에 3eV만큼의 에너지를 가진 빛을 비추어 준다면 전자는 튀어 나올 수 없다.

 

왜냐하면 비추어준 빛의 에너지가 일함수보다 커야! 하기 때문이다.

 

따라서 1시간을 비추든, 100년을 비추든 3eV 에너지를 가진 빛에 의해서는 전자가 빠져 나올수 없다.

 

그러나 5eV만큼의 에너지를 가진 빛을 비추어 준다면 전자는 튀어 나오게 된다.

 

이렇게 전자가 빠져 나올지 안나올지를 결정하는 (문턱과 같은 역할을 하는)

 

특정 금속이 가진 고유한 양을 일함수 (W) 라고 한다.  

 

그렇다면 빛이 가진 에너지의 양은 어떻게 알 수 있을까?

 

바로 다음 수식에 의해 계산이 가능하다.

즉 진동수나 파장을 안다면 해당 빛이 가진 에너지를 계산할 수 있다.

 

앞서 말한 일함수에 대한 개념을 다시 언급하자면

 

hf 의 에너지를 가진 빛을 W의 일함수를 가진 금속에 비추어 줬을때

 

hf < W 라면 아무리 많은 광자(빛 알갱이)와 충돌하여도 금속에서 전자는 빠져나오지 못하고

 

hf > W 라면 약간의 빛에 의해서도 전자는 금속 밖으로 빠져 나가게 된다.

 

이렇게 빠져 나간 전자는 운동에너지를 갖는데, 이때 가질 수 있는 운동에너지 값의 범위는 다음과 같다.

 왜 범위를 갖는지 의문이 들 수 있다.

 

빛은 hf의 에너지를 가지고 금속은 W 만큼의 일함수를 가지니

 

빠져나온 전자는 항상 hf - W 만큼의 에너지를 가지지 않느냐고 반문할 수 있는데

 

hf - W의 값은 '최대' 값이다. 빛이 금속에 부딪히는 방향과 각도 그리고 확률에 의해서

 

빠져나온 전자의 에너지는 매번 달라진다. 

 

즉 최대 운동에너지는 hf - W 이고, 그보다 작은 운동에너지를 다 가질 수 있다.

 

당연하게도 최대 운동에너지 (hf - W)를 가지는 광전자들의 수는 극히 작을 것이다.

 

이번 시간에는 광전효과의 기본 개념 일함수에 대해 알아보았다.

 

다음 시간에는 오늘 배운 일함수와 빛의 에너지를 이용하여 그래프를 그려보자.