광전효과에서 빛의 세기를 올려도 전자의 최대 에너지가 늘지 않는 이유가 궁금합니다

Question

금속에 빛을 쪼이면 전자가 튀어나온다고 합니다. 빛의 세기를 올려도 전자의 최대 운동에너지는 변하지 않는다고 합니다. 고전적인 파동 이론으로는 왜 설명이 안 되는지 궁금합니다. 진동수와 문턱 진동수는 어떤 관계인지도 알고 싶습니다

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

고전 파동 이론에서는 빛의 에너지가 밝기로 정해져요. 그러면 밝은 빛일수록 전자가 더 빠르게 튀어나와야 하고, 어두운 빛도 오래 비추면 에너지가 쌓여 언젠가는 전자가 나와야 해요. 실제 실험에서는 전자의 최대 운동에너지가 밝기와 상관없이 진동수에 따라서만 달라졌어요. 일정 진동수보다 낮은 빛은 아무리 오래 비춰도 전자가 나오지 않았어요.

1905년 아인슈타인은 빛이 hf(h는 플랑크 상수, f는 진동수)만큼의 에너지를 가진 알갱이, 즉 광자로 이뤄져 있다고 봤어요. 전자 하나는 광자 하나에서만 에너지를 받아요. 금속에서 빠져나오는 데 필요한 최소 에너지(일함수 W)를 쓰고 남은 만큼이 운동에너지가 돼요. 그래서 최대 운동에너지는 hf − W예요. 빛을 밝게 하면 광자 수만 늘어나요. 튀어나오는 전자 수는 늘어도 전자 하나의 에너지는 그대로예요.

hf가 W와 같아지는 진동수가 문턱 진동수(f₀ = W/h)예요. 나트륨은 W가 약 2.3eV라 빨간빛(약 1.9eV)은 아무리 세게 비춰도 전자를 떼어 내지 못해요. 보랏빛(약 3.1eV)은 약하게 비춰도 최대 0.8eV짜리 전자를 내보내요 :)