아인슈타인이 광양자설을 통해 빛이 파동일 뿐만 아니라 에너지 알갱이인 입자의 성질도 동시에 지니고 있음을 증명한 광전 효과의 물리적 원리는 무엇인가요?

Question

아인슈타인이 광양자설을 통해 빛이 파동일 뿐만 아니라 에너지 알갱이인 입자의 성질도 동시에 지니고 있음을 증명한 광전 효과의 물리적 원리는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

금속에 빛을 쪼이면 표면의 전자가 튀어나오는데, 이 현상은 빛을 파동으로만 보면 설명이 안 돼요. 파동이라면 빛이 밝을수록 에너지가 커져서 전자도 더 세게 튀어나와야 하고, 어두운 빛이라도 오래 비추면 에너지가 쌓여 언젠가는 전자가 나와야 해요. 그런데 실제로는 특정 진동수보다 낮은 빛은 아무리 밝게 오래 비춰도 전자가 나오지 않았고, 그 진동수를 넘으면 아주 약한 빛에서도 곧바로 나왔어요. 튀어나온 전자의 최대 운동 에너지도 밝기와 상관없이 진동수가 높을수록 커졌어요.

아인슈타인은 빛이 E = hf의 에너지를 가진 알갱이, 즉 광자로 이루어져 있다고 봤어요. 전자 하나는 광자 하나와 부딪혀 에너지를 통째로 받는데, 금속에서 빠져나오려면 일함수 φ만큼의 에너지가 필요해요. 그래서 hf가 φ보다 작으면 광자를 아무리 많이 보내도 전자가 못 나오고, 넘으면 남은 에너지 hf − φ가 전자의 운동 에너지가 돼요. 밝기는 광자의 개수라 밝게 하면 전자 수만 늘어요.

1916년 밀리컨이 정밀 실험으로 이 직선 관계를 확인했고, 아인슈타인은 이 연구로 1921년 노벨 물리학상을 받았어요 :)