[2015 7030 Final 실전 모의고사 B형][실전 모의고사 2회] - 아인슈타인의 광전 효과

[구렛나루]

[24~26] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

아인슈타인은 1905년 역사적인 논문을 세 편이나 썼다. 그중 하나가 ‘광전 효과’라고 불리는 현상을 설명하는 논문이다. 광전 효과란 금속판 표면에 빛을 쪼였을 때 전자가 튀어나오는 현상이다. 이 금속판에 도선을 연결하면 당연히 전류가 흐른다. 이 사실 자체는 그리 놀랍지 않다. 빛의 속성을 연속하는 파동이라고 여긴 고전 역학에서도 파동은 에너지를 가지고 있고 그 에너지가 금속판 안의 전자에 전달되어 전자가 충분한 에너지를 갖게 되면 금속을 탈출할 수 있기 때문이다.

문제는 실험 결과에 있었다. ㉠고전 역학의 관점에서 보자면 더 센 빛을 쪼여 주면 더 높은 에너지가 전자에 전달될 것이므로 전자가 그만큼 잘 튀어나와야 한다. 그러나 실제 실험 결과 아무리 센 빛을 쪼여 주더라도 파장이 긴 빛은 전자를 탈출시키지 못하였다. 반대로 빛이 아무리 약해도 파장이 충분히 짧은 빛은 전자를 금속으로부터 떼어 내 전류를 만들었다. 일단 전자가 튀어나오기 시작하면 도선에 흐르는 전류의 세기는 쪼여 준 빛의 세기에 비례하였다. 그리고 금속을 탈출한 전자의 운동 에너지는 쪼여 준 빛의 파장에 반비례하였다. 이 결과는 고전 역학적인 사고로는 전혀 설명할 수 없었다. 왜냐하면 고전적 파동 이론에 따르면 파동의 에너지는 파장과는 무관하기 때문이다.

아인슈타인은 이 수수께끼를 풀기 위해 플랑크의 가설을 전격적으로 수용하였다. 광전 효과는 빛의 에너지가 진동수(파장의 역수이다.)에 비례하는 최소 단위를 가진다는 플랑크의 가설을 수용하면 매우 쉽게 설명된다. 빛이 금속판에 부딪히면 빛의 에너지의 최소 단위가 마치 입자처럼 금속판 속의 전자와 충돌한다. 이 에너지가 전자를 금속판 속에 묶어 두는 결합 에너지보다 높으면 전자가 금속판에서 튀어나오고 그것보다 낮으면 꿈쩍도 안 한다.

㉡이런 관점에서 보자면 빛의 세기는 빛의 에너지의 최소 단위가 되는 어떤 알갱이들의 개수에 해당한다. 이 알갱이가 아무리 많더라도, 즉 빛이 아무리 세더라도 각 알갱이의 에너지와는 아무런 상관이 없다. 플랑크의 가설에 따르면 빛의 에너지는 진동수에 비례한다. 진동수가 어느 정도 높은 빛이 아니면, 즉 파장이 어느 정도로 짧은 빛이 아니면, 달걀을 아무리 많이 던져도 바위가 끄떡없는 것처럼 금속판에서 전자를 떼어 낼 수 없다. 그러나 빛의 세기가 커지면 금속판에 충돌하는 알갱이의 개수가 많아지므로 더 많은 전자를 탈출시킬 수 있다. 즉 파장이 적당히 짧아 광전 효과를 일으키는 빛이라면 세기가 커짐에 따라 더 많은 전자를 금속판에서 탈출시킬 수 있으므로 더 많은 전류를 만들 수 있는 것이다. 가정 하나만 바꾸었더니 광전 효과의 모든 결과가 훌륭하게 설명된 것이다.

아인슈타인은 플랑크가 ‘에너지의 최소 단위’라고 부른 이 알갱이에 ‘빛의 양자’라는 의미의 ‘광양자’라는 이름을 붙였다. 빛을 불연속적인 입자의 덩어리라고 파악하는 ‘양자론’ 혁명의 시대가 열린 것이다. 이후 아인슈타인의 광전 효과 설명을 ‘광양자 가설’이라고 부르게 된다.

24. 윗글의 내용과 일치하지 않는 것은?

① 고전 역학은 광전 효과를 완벽하게 설명하지 못하였다.

② 아인슈타인은 플랑크의 가설로 광전 효과를 설명하였다.

③ 플랑크는 빛의 에너지가 진동수에 비례한다고 생각하였다.

④ 고전 역학에서는 빛의 에너지가 빛의 파장에 비례한다고 보았다.

⑤ 양자론에서는 빛의 세기가 빛 알갱이들의 수에 해당한다고 가정하였다.

25. ㉠과 ㉡의 근본적인 차이점으로 가장 적절한 것은?

① 빛의 성질을 무엇으로 파악하는지의 차이

② 빛이 에너지를 갖는지에 대한 입장의 차이

③ 파장과 진동수의 관계에 대한 설명의 차이

④ 튀어나온 전자의 운동 에너지에 대한 해석의 차이

⑤ 금속판에서 전자가 탈출할 수 있는 빛의 세기의 차이

26. 윗글을 바탕으로 (보기)를 이해한 것으로 적절하지 않은 것은?(3점)

(보기)

① ⓐ의 파장이 짧으면 짧을수록 ⓑ에서 튀어나오는 ⓒ의 수가 늘어난다.

② ⓐ의 광양자가 가진 에너지가 전자의 결합 에너지보다 높아야 ⓒ가 ⓑ에서 탈출할 수 있다.

③ ⓑ에서 ⓒ가 튀어나와 반대쪽의 ⓓ에 도달하면 전류가 흐르게 된다.

④ ⓐ가 광전 효과를 일으킬 수 있는 파장의 빛이라면 세기가 셀수록 ⓓ에 도달하는 ⓒ의 수가 증가한다.

⑤ ⓐ가 진동수가 매우 낮은 빛이라면 ⓒ가 ⓓ에 도달하지 못해 도선을 연결해도 전류가 흐르지 않는다.

24. ④ 25. ① 26. ①

[24~26] 아인슈타인의 광전 효과

해제 이 글은 아인슈타인의 광전 효과에 대해 설명하고 있다. 광전 효과란 금속판에 빛을 쪼여 주면 전자가 튀어나오는 현상이다. 고전 역학은 이런 광전 효과를 완전하게 설명하지 못하였다. 아인슈타인은 플랑크의 가설을 수용하여 광전 효과를 완전하게 설명하였다. 이를 통해 빛을 파동이 아니라 입자라고 생각하는 양자 역학이 시작되었음을 설명하고 있다.

주제 아인슈타인의 광전 효과

내용 흐름 1문단: 아인슈타인의 광전 효과 논문 발표

2문단: 고전 역학으로 설명하기 어려운 광전 효과

3문단: 아인슈타인의 플랑크 가설 수용

4문단: 빛을 입자라고 가정하면 완전히 설명되는 광전 효과

5문단: 아인슈타인의 광양자 가설의 의의

24 세부 정보, 핵심 정보 파악 답⃞ ④

| 정답이 정답인 이유 |

④ 고전 역학에서는 빛의 에너지가 빛의 파장에 비례

2문단의 마지막 문장을 보면 빛을 파동으로 보는 고전 역학에서는 파동의 에너지, 즉 빛의 에너지는 파장과 무관하다고 설명하고 있다. 이를 보면 고전 역학에서 빛의 에너지가 파장에 비례한다고 보았다는 것은 적절하지 않다.

| 오답이 오답인 이유 |

① 고전 역학은 광전 효과를 완벽하게 설명

2문단의 첫 문장에서 문제는 실험 결과에 있었다고 하였다. 이를 통해 고전 역학은 광전 효과를 완벽하게 설명하지 못하였음을 알 수 있다.

② 아인슈타인은 플랑크의 가설로

3문단의 첫 문장에서 아인슈타인은 광전 효과가 일어나는 빛의 조건을 설명하기 위해 플랑크의 가설을 수용하였다는 것을 확인할 수 있다.

③ 플랑크는 빛의 에너지가 진동수에 비례한다고 생각

4문단의 세 번째 문장에서 플랑크의 가설에 따르면 빛의 에너지는 진동수에 비례한다고 하였다.

⑤ 양자론에서는 빛의 세기가 빛 알갱이들의 수에 해당

4, 5문단을 보면 빛을 파동이 아니라 입자의 덩어리로 보는 양자 역학의 관점에서 광전 효과를 완전하게 설명할 수 있음을 알 수 있다. 또한 4문단의 첫 문장을 보면 빛의 세기가 빛 알갱이들의 개수임을 확인할 수 있다.

25 내용들 간의 의미 관계 파악 답⃞ ①

| 정답이 정답인 이유 |

① 빛의 성질을 무엇으로 파악하는지

1문단에서 고전 역학은 빛을 연속하는 파동으로 인식하고 있음을 알 수 있다. 그리고 5문단에서 양자론은 빛을 불연속적인 입자의 덩어리로 파악하고 있음을 알 수 있으므로 적절하다.

| 오답이 오답인 이유 |

② 빛이 에너지를 갖는지에 대한 입장

1문단 마지막 문장에서 고전 역학에서도 파동(빛)은 에너지를 가지고 있다고 하였고, 4문단에서 플랑크는 빛의 에너지가 진동수에 비례한다고 가정하고 있다고 하였으므로 두 관점 모두 빛이 에너지를 갖고 있다는 입장을 취하고 있음을 알 수 있다.

③ 파장과 진동수의 관계에 대한 설명

3문단에서 플랑크의 가설을 설명하면서 진동수는 파장의 역수임을 설명하고 있고, 2문단에서는 고전 역학의 관점에서 광전 효과를 설명하면서 파장과 빛의 세기를 설명하고 있다. 이를 통해 플랑크의 가설, 즉 양자론의 관점에서 빛의 파장과 진동수의 관계에 대해 설명하고 있음은 알 수 있지만, 두 관점의 근본적인 차이라고 볼 수는 없다.

④ 튀어나온 전자의 운동 에너지에 대한 해석

2문단에서 금속판을 탈출한 전자에 대해 설명하면서 고전 역학으로는 실험 결과를 설명할 수 없었다고 하였다. 그리고 3문단에서 플랑크의 가설을 수용하여 빛의 에너지가 진동수에 비례한다고 가정하니 광전 효과가 쉽게 설명되었다고 하였다. 그러나 이는 빛을 파동으로 보는지 또는 입자로 보는지에 따른 설명이지 전자의 운동 에너지에 대한 설명은 아니다. 2문단에서 실험 결과를 설명하면서 금속판을 탈출한 전자의 운동 에너지는 쪼여 준 빛의 파장에 반비례한다고 하였다. 즉 두 관점의 차이는 전자의 탈출에 대한 것이지 탈출한 전자의 운동 에너지에 대한 것이 아니다.

⑤ 금속판에서 전자가 탈출할 수 있는 빛의 세기

2, 4문단에서 고전 역학의 파동 이론으로는 광전 효과를 일으키는 빛의 세기를 설명할 수 없으며 입자로 보는 양자론의 관점에서는 설명할 수 있다고 하였다. 그러나 빛의 에너지에 대한 설명이 다른 것은 빛의 성질에 따른 부수적인 효과이므로 세기의 차이를 근본적 차이로 볼 수는 없다.

26 구체적 상황에 적용하기 답⃞ ①

| 정답이 정답인 이유 |

① ⓐ의 파장이 짧으면 짧을수록

4문단에서 빛의 파장이 광전 효과를 일으키는 데 관여한다는 점을 알 수 있다. 그러나 빛의 세기, 즉 알갱이의 개수가 많아야 더 많은 전자를 탈출시킬 수 있다는 점을 확인할 수 있으므로 파장이 짧을수록 튀어나오는 전자 수가 늘어난다는 것은 적절하지 않다.

| 오답이 오답인 이유 |

② ⓐ의 광양자가 가진 에너지가 전자의 결합 에너지보다 높아야

3문단에서 금속판에 부딪히는 빛의 에너지가 전자를 금속판에 묶어 두는 에너지보다 높으면 전자가 튀어나온다고 설명하고 있다. 그리고 5문단을 보면 플랑크가 설명한 빛의 에너지의 최소 단위를 아인슈타인은 광양자라 불렀음을 알 수 있다.

③ ⓒ가 튀어나와 반대쪽의 ⓓ에 도달하면

1문단에서 전자가 튀어나오는 금속판에 도선을 연결하면 전류가 흐른다고 하였다.

④ 세기가 셀수록 ⓓ에 도달하는 ⓒ의 수가 증가

4문단에서 빛의 세기는 알갱이의 개수에 해당한다고 하였으며 금속판에 충돌하는 개수가 많아지면 더 많은 전자를 탈출시킬 수 있다고 하였다.

⑤ ⓐ가 진동수가 매우 낮은 빛이라면

4문단을 보면 빛의 에너지는 진동수에 비례하고, 진동수가 낮으면 파장이 길다는 점을 알 수 있다. 빛의 파장이 적당히 짧아야 광전 효과가 일어나므로 파장이 길고 진동수가 매우 낮은 빛이라면 전자가 탈출하지 못해 도선을 연결해도 전류가 흐르지 않게 된다.