현대 물리 8강 : 광전 효과 - 실험

앞선 강의에서 광전효과의 이론을 공부했다.

 

이번 강의에서는 광전효과를 직접 검증하는 실험에 대해 알아보자.

 

먼저 실험을 위한 회로 구성은 다음과 같다.

위 회로에서 전지는 도선을 기준으로 위 아래 각각 5V라고 생각하자.

 

또한 금속의 일함수는 3eV이고 비춰준 빛은 7eV라고 하자.

 

마지막으로 접지를 해주었다. (음극이 항상 0V가 되도록)

 

즉 아래와 같이 생각하자.

이때 음극이라는 것은 (-) 의미의 음이라기 보다는 그냥 금속이 달린 기준점을 음극이라 생각하는 것이 편하다.

 

또한 양극이라는 것은 음극의 금속에서 전자가 빠져나와 들어가는 곳이다.

 

a - b 저항을 이용하여 음극과 양극 양단의 전위차 (전압 차)를 조절할 수 있다. 다음과 같이 말이다.

이렇게 전위차를 조절하는 것이 이 실험의 핵심이다.

 

먼저 a지점에 연결했다고 생각해보자. 

 

그렇다면 양극은 5V가 되고 음극은 접지로 인해 항상 0V로 기준이 되었으므로

 

양극이 음극보다 5V 높은 전위를 가진다.

 

빛을 금속에 비춰줌으로 인하여 전자는 다음과 같이 움직이려 할것이다.

이때 회로만 보았을 때도 전자는 전위차로 인하여 음극에서 양극으로 이동하려 할것이므로

 

회로에 전류가 흐를 것이다.

 

그러나 만약 b지점을 연결하면 결과는 달라질 것이다.

 

일단 b지점을 연결했을 경우 양극의 전압은 -5V로 0V인 음극보다 5V 작은 전위를 가진다.

 

따라서 회로 자체는 양극에서 음극으로 전류가 흐르기 위해 힘을 다음과 같이 줄것이라 예상할 수 있다.

[파란색 : 회로에서 전류가 흐르고자 하는 힘, 빨간색 : 전자가 금속에서 튀어나오고자 하는 힘]

그러나 전자가 빛에 의해 음극에서 빠져나오고자 작용하는 힘은 반대 방향이기 때문에

 

만약 튀어나온 전자의 최대 운동에너지 hf-W가 전위차에 의한 위치 에너지 보다 작게 된다면

 

금속에서 전자가 튀어나와 양극에 도달하는 것이 불가능할 것이고 결과적으로

 

회로에 전류가 흐르지 못할 것이다.

 

결론 : 양극의 전압이 음극의 전압보다 높다면 항상 전류가 흐르겠지만 만약 양극의 전압이 음극의 전압보다 낮게 된다면 전자의 흐름이 반대 방향이 되므로 에너지 값을 비교하여 전류가 흐르는지 흐르지 않는지 판단해야한다.

 

이를 그래프로 나타내면 다음과 같을 것이다. (헷갈리니 일단 왼쪽 그래프에서 곡선 하나만 보아라) !!

 

이제 왜 전류가 흐르지 않을때(x절편)의 양극 전압(양극 전압 - 음극 전압)이 (-)인지 이해하게 되겠는가?

 

또한 이때의 전압의 절댓값을 '정지전압'이라고 한다.

 

즉 아래에 표시한 곡선의 정지전압은 V2인것이다.

 

그렇다면 진동수가 큰 빛(에너지가 큰 빛)의 정지 전압(V1)이 왜 더 큰지 분석해보자. (절댓값이 크다는 것이다)

 

정지전압을 이렇게 생각해보자. 전류가 흐르는 것을 '정지'하기 위한 '최소' 전압 이라고 말이다.

 

그러면 빛의 에너지가 큰 경우(세기가 큰 것이 아니라 에너지가 큰것이다, 둘은 분명 차이가 있다) 에는

 

전류가 흐르는 것을 '정지'하기 위해 빛의 에너지가 작은 경우보다 방해하는 힘이 더 커야 한다.

 

따라서 정지 전압이 큰것이다.

 

그렇다면 이제 아래 그래프를 해석해보자.

진동수가 일정하므로 빛의 에너지 자체는 같다는 것을 알 수 있다.

 

그런데 왜 흐르는 전류의 세기가 다른 것일까?

 

그 이유는 아래와 같다.

 

빛의 에너지는 전류의 흐름 여부를 결정하고

 

빛의 세기는 전류의 세기(크기)를 결정한다.

 

자 이제 광전 효과 실험이 무엇인지 알겠는가?

 

다음 강의에서는 광전효과 실험 문제 몇가지를 같이 해결해보자.