광전(光電) 효과 (Photoelectric Effect) 1쪽

[김동석]

광전(光電) 효과 (Photoelectric Effect)

1쪽

광전 효과란 금속판에 빛(전자기파)를 쪼여주니 전자가 튀어나오는 현상을 말한다. 이 현상이 1900년대 초 실험으로 관찰되었다. 금속 내부에는 자유 전자들이 많이 돌아다니므로 빛을 쪼여주면 빛의 에너지가 전달되어 속도가 커진 전자가 금속 표면이 잡아당기는 힘을 제치고 금속판 바깥으로 튀어나오는 현상이 그리 이상할 것이 없을 수도 있다. 그런데 이 현상을 자세히 관찰하고 당시에 알려진 이론으로 설명하려고 하니 어려움에 봉착하였다.

광전효과를 실험으로 보려면 위의 그림과 같이 한다. 이 그림과 같이 두개의 금속판을 나란히 놓고 두 금속판을 도선으로 건전지 그리고 전류계와 연결하자. 나란히 놓은 금속판을 축전기라고 부른다. 두개의 금속판이 떨어져 있으므로 이 회로에는 전류가 흐르지 않는다.

그리고 그림의 왼쪽 금속판에 (이 금속판이 낮은 전위이다) 빛을 쪼여주면 전류계에 눈금이 움직여 전류가 흐르는 것을 알 수 있다. 실험한 결과를 다음과 같이 정리할 수 있다.

• 전류가 흐르고 안흐르고는 쪼여준 빛의 세기에는 전혀 관계가 없고 쪼여준 빛의 색갈(진동수)에만 관계한다. 즉 빨간빛을 비추어주면 전류가 안흐르면 이 빨간빛의 세기를 아무리 세게 하더라도 전류가 안흐른다. 그런데 빛의 진동수를 증가시켜 자주빛에서 전류가 흐르기 시작하였다면 아무리 약한 자주빛을 비추어주더라도 전류가 흐른다.
• 전류가 흐르는 빛의 색갈이 결정되면, 흐르는 전류의 양은 이 색갈의 빛의 세기에 비례한다. 세기를 두배로 하면 흐르는 전류의 양도 두배가 된다.

이렇게 관찰된 현상을 당시의 빛에 대한 이론으로는 설명하기가 어려웠다. 당시에는 빛을 전자기파로 즉 파동으로 생각하였다. 파동은 움직이면서 에너지를 전달하는데 파동이 전달하는 에너지는 파동의 진폭의 제곱에 비례한다. 이 진폭의 제곱이 빛의 경우에는 빛의 밝기 또는 세기와 같다.

소리의 예를 들어보자. 소리도 파동임으로 소리가 진행하면서 에너지를 나른다. 이 때 소리가 나르는 에너지는 음파의 진폭의 제곱에 비례하는데 이 진폭의 제곱의 소리의 크기로 대표된다. 그래서 소리의 진동수가 높아지면 높은 소리 (예를 들어 도레미파솔레시도의 순으로 진동수가 커진다)가 나오며 진폭이 커지면 큰 소리가 나온다. 그래서 마리오란자가 테너로 노래를 부를 때 너무 웅장하고 큰 소리로 노래를 부르면 옆 창문의 유리가 깨진다고 하자. 그렇지만 소프라노 가수가 아무리 높은 소리로 노래를 불러도 창문의 유리는 깨지지 않는다. (좋은 예인지는 잘 모르겠음.)

그래서 광전효과의 경우 처음 관찰되었을 당시에는 빛을 쪼여주는데도 전자가 튀어나오지 않는다면 에너지 전달이 부족하여 그런 것이고 그렇다면 쪼여주는 빛의 세기를 더 세게해주면 에너지 전달이 커질 것이므로 전자가 나와야 할 것으로 예상되었다. 그런데 빛의 세기를 증가시켜주어 가지고는 전자가 튀어나오게 할 수 없고 오히려 세기는 매우 약하더라도 쪼여주는 빛의 진동수를 높여주면 전자가 튀어나오는 것을 관찰하였던 것이다. 이 점을 도저히 이해할 수가 없었다.
광전효과 현상이 일어나는 이유를 아인슈타인이 명쾌하게 설명하여 주었다. 앞에서 공부한 것처럼 1905년 아인슈타인은 특수상대성 이론 논문을 발표하면서 두가지 논문을 더 발표하였는데 그 중 한가지가 바로 이 광전효과에 관한 것이었다. 그리고 아인슈타인이 1921년 노벨 물리학상을 받을 때 바로 이 광전효과에 대한 연구의 공로로 받았다. 당시에도 특수 상대성 이론은 그 결과가 인류의 행복에 얼마나 기여할 수 있는 이론일지 잘 알 수 없었기 때문에 노벨상의 대상이 될 수 없었다고 한다.

아인슈타인은 당시에 막 플랑크가 흑체복사를 연구하다가 제안한 양자론을 심각하게 받아드리었다. 이미 설명한 것처럼 플랑크 자신은 양자론 자체에 의문을 품었지만 아인슈타인은 이 양자론이 자연의 기본 원리를 대표한다고 생각하였던 것이다.

플랑크의 양자론에 의하면 빛이 나르는 에너지가 연속적이지 않고 빛의 진동수 f 에 따라 다음 식

와 같이 결정된다고 제안하였다. 여기서 h 는 앞에서 배운 플랑크 상수라고 불리는 보편 상수이다. 양자론이 흑체복사를 설명하는데만 나타나는 것이 아니고 똑같은 양자론이 일견 흑체복사와는 전혀 관계없어 보이는 광전효과에서도 필요하다고 본 것이다.

아인슈타인이 광전효과를 설명하는 방법은 다음과 같다. 빛은 입자로 구성되어 있다. 이 입자는 그 빛의 진동수에 따라 위 식으로 주어진 에너지를 나른다. 그래서 광전효과는 마치 구슬 맞추기와 같다. 오른쪽 그림에서 원 안에 들어있는 구슬이 전자이고 위에서 내려오는 구슬이 빛(광자)이다. 빛 구슬로 전자 구슬을 맞추어 원 안에서 튕겨내는 게임이다. 이 게임의 원리는 다음과 같다.

• 빛 구슬 하나가 전자 구슬 하나를 튕겨 낼 수 있다. (물론 주위 구슬에 영향을 주어서 더 튕겨내게 할 수도 있겠지만 문제를 간단히 생각하자.)
• 빛 구슬의 에너지가 충분하여야 (충분히 빠른 속도로 와서 전자 구슬을 맞추어야) 전자 구슬을 튕겨낼 수 있다.

이 원리를 이용하면 관찰된 광전효과 현상을 잘 설명할 수 있다. 각자 생각해 보자.

아인슈타인은 이렇게 양자론이 태동할 시기에 양자론에 대해 중요한 기여를 하였다. 그러나 양자론이 점차 발전해 나가는 과정에서 아인슈타인은 비록 양자론이 당시까지 관찰된 실험 사실을 잘 설명한다고 하더라도 근본적인 이론은 될 수가 없다고 생각하고 양자론의 발전에 더 이상 참가하지 않는다. 나중에 설명할 기회가 있을 지 모르지만 양자론을 이용하여 설명하여야만 하는 레이저의 원리를 맨 처음 제안한 것도 아인슈타인이고 원자시계에 대한 발상을 맨 처음 제안한 사람도 아인슈타인이었지만 양자론에 등을 돌림으로서 상대성 이론을 제외하고 이십세기 물리학의 중요한 발전 단계에서 아인슈타인이 크게 기여하지 못한 것은 섭섭한 일이다.