빨간색의 광자( photon光子)에너지값구하기

[유토피아]

광자(光子, photon) 또는 빛알은 기본입자의 일종으로, 가시광선을 포함한 모든 전자기파를 구성하는 양자이자 전자기력의 매개입자이다. 기호는 그리스 문자 {\displaystyle \gamma }

이다. 전자기력의 효과는 미시적, 거시적인 수준에서 쉽게 관찰할 수 있는데, 광자가 질량을 가지지 않기 때문에 장거리에서의 상호작용이 가능하다. 다른 기본입자들과 같이 광자는 양자역학과 입자-파동 이중성 이론을 통해 가장 잘 설명된다. 하나의 현상임에도 파동과 양자라는 두 가지 관측 가능한 모습을 가진 광자의 진짜 성질은 어떤 역학적 모델로도 설명할 수 없다. 이러한 빛의 이중성의 묘사, 전자기파에서의 에너지의 위상을 파악하는 것 또한 불가능하다. 전자기파의 양자의 위치는 공간적으로 국한되지 않기 때문이다.

광자 한 개의 에너지는

 , 운동량은 

                                                            빨간색의 광자에너지는

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자성 두 가지 성질을 지니고 있다.

파동의 성질로 본다면 빛은 전자기파에 해당하며, 입자의 성질로 볼 때 광자(광양자)로 명명한다.

광자 한 개의 에너지는 플랑크상수(h)에 빛의 진동수(v)를 곱한 값, 즉 hv이고 운동량은 hv/c(c는 진공에서 빛의 속도)이다.

빛의 회절 및 간섭현상은 빛의 파동성으로 설명된다.

하지만 직진성을 가지는 입자의 성질로는 파동의 원형으로 퍼져나가는 회절 및 간섭현상을 설명할 수 없다.

반면에 콤프턴 산란과 같은 현상은 빛을 여러 개의 입자 즉 광자로 구성된 것으로 생각해한다.

이중 한 개의 입자가 물질 내 전자와 부딪친다.

부딪친 후 광자는 전자에 에너지를 주고 자신은 에너지가 낮아져서 나온다.

이렇게 빛을 입자의 성질을 띤 광자로 보는 입장은 원자처럼 아주 작은 단위의 자연계현상에서 관측이 된다.

한편 파동성에서 진동수와 연관을 살피면, 일정한 진동수에 빛은 그 진동수에 플랑크상수(h)를 곱한 값이 한 개의 광자의 에너지(E)이다.

빛의 파장을 λ, 주파수를 f, 빛의 속도를 C 라고 놓으면,

f * λ = C 의 관계가 되고, 이는 즉, λ = C/f 가 되므로,

빛의 파장은 주파수와 서로 반비례하는 관계가 됩니다

여기서 J는 에너지의 단위인 줄이며, s는 시간의 단위 초이다.

빛의 에너지와 진동수, 파장의 관계

a) 진동수가 2.94×10^14 s^-1인 빛의 에너지를 계산하시오.

b) 파장이 413 nm인 빛의 에너지를 계산하시오.

c) 에너지가 6.06×10^-19 J인 빛의 파장을 계산하시오.

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답:

a) 1.95×10^-19 J

b) 4.81×10^-19 J

c) 328 nm

한편 빛의 진동수 단위는 1/s 이다.  이 광자의 수가 많을수록 빛의 세기가 커지게 된다.

빛의 에너지와 세기가 나타내는 효과는 아인슈타인이 발견한 광전효과로 그 차이를 알 수 있다.

광전효과의 개요는 다음과 같다.

한 개의 광자가 물질 내의 전자와 충돌한다.

이때 전자는 원자 안에 속박된 상태로 있다가 일함수라고 하는 충분한 에너지를 얻으면 원자 밖으로 나가게 된다.

빛의 세기가 커도 즉 빛이 많은 수의 광자로 이루어져도 광자 한 개의 에너지가 작으면 광전효과는 나타나지 않는다.

광자의 에너지가 충분히 클 경우는 빛의 세기가 클수록 더 많은 수의 전자가 나오게 된다.

빛에 대한 이 생각은 1905년 아인슈타인이 빛의 광양자설(光量子說)을 제창하였고, 그 뒤 콤프턴효과에 의해서 그 이론의 정당성이 증명되었다.