아인슈타인 광전효과 활용

아인슈타인 광전효과 활용

아인슈타인의 업적 중 광전효과는 금속에 구속된 전자가 빛에 쪼이면 에너지를 얻어 방출되는 형상을 말합니다. 이때 빛에 쪼이고 방출된 전자를 '광전자'라고 하며, 광양자설에서 빛은 연속적인 파동이 아닌 알갱이의 형태인 양자로 보며 빛의 양자를 '광양자' 또는 '광자'라고 합니다. 광전효과를 우리 생활에 어떻게 활용하는지 알아보겠습니다.

1. 광전효과란?

광전효과는 금속 등의 물질이 빛에 쪼이면 저자를 내놓는 현상입니다. 금속 내의 전자는 원자핵의 전하와 전기력에 의해 속박됩니다. 여기에 일정 진동수 이상의 빛을 비추었을 때 광자가 전자와 충돌하게 됩니다. 광자와 충돌한 전자가 금속으로부터 튀어나오는 현상이라고 할 수 있습니다. 빛이 전자기파 그 자체라는 고전 물리학의 패러다임으로는 설명할 수 없었던 현상입니다. 알베르트 아인슈타인이 광양자설을 통해 빛의 입자성을 제시하면서 마침내 규명되었습니다. 근 빛이란 하나하나가 진동수에 비례한 에너지를 지닌 입자의 집합이라고 보았는데 광전효과 실험을 완벽하게 설명했습니다.

2. 하인리히 루돌프 헤르츠

광전효과는 1887년 하인리히 루돌프 헤르츠의 음극선 실험에서 발견되었으나 당시에는 전자기학에서는 이미 빛이 파동이라는 결론이 나와있어서 설명할 수 없었습니다. 그 이후 10면 뒤 1897년에 필립 레오나르도의 음극선 실험에 의해서 정확하게 관측이 되었고, 러시아의 스톨레 토프가 광전효과를 이용한 논문을 써서 광전효과의 1법칙을 정립해내게 되었으며 현대 물리의 핵심적인 문제로 부상하게 되었습니다.

3. 물질파 이론

광전효과의 규명은 기존에 주류를 차지하고 있던 빛의 파동성을 반박하였고 사장되다시피 했던 입자설을 복권하였습니다. 빛이 파동의 형태인지 아니면 입자의 형태인지에 대한 논쟁은 물리학계에서 아주 오래된 논쟁이었습니다. 광전효과의 규명을 통해서 최종적으로 빛은 파동과 입자의 성격을 모두 가진다는 이중성을 인정받는 계기가 되었으며 여기에 영행을 받은 드 브로이는 광자뿐 아니라 다른 물질 또한 파동을 동시에 지닐 수 있다는 물질파 이론을 내놓았습니다.

4. 광전효과 분류

4-1 광이온화

아파선, 감마선 등과 같은 비교적 파장이 짧은 빛을 쪼였을 경우 기체 분자의 원자가 전자를 내놓으면서 이온화하는 현상입니다. 이것을 이용한 저온 프라즈마 발생법이 연구 중이라고 합니다.

4-2 외부 광전효과

한계 진동수보다 큰 진동수의 빛은 빛의 세기에 따라서 전자를 토해내는 데 일견 위에서 진동수에 의해서 세기가 정해진다는 말과 문순처럼 보일 수 있습니다. 그러나 이는 에너지와 전자의 양을 혼동했을 때 나올 수 있는 오류로 전자 입자 하나하나가 가진 에너지의 양은 초기 빛의 진동수에 의해서 결정이 됩니다 이 튀어나오는 전체 전자의 개수는 빛의 세기에 의해서 결정이 되는 것입니다. 이 외부 광전효과에 의해서 빛의 이중성이 입증이 되었다고 할 수 있으며 플랑크의 흑체복사에 대한 연구와 합쳐져서 현재는 광전관에 쓰이고 있습니다.

4-3 내부 광전효과

반도체 등에 빛을 쪼이면 반도체에 포함된 불순물의 전자가 자유 가전자가 되면서 양공을 만들어 내며 전도도가 상승하는 현상이 나타나며  이 효과는 다시 자유가 전자와 양공에 의해서 전도도가 상승하는 1차 내부 광전효과와 바뀐 전자와 양공에 의해서 반도체 구조 자체가 변화하는 2차 내부 광전효과로 나뉩니다. 현재는 브라운관과 의료용 촬영장치를 만드는데 응용되고 있습니다.

4-4 광기전력 효과

반도체 전체가 아닌 일부분에만 빛을 쪼였을 때 빛이 쪼인 곳과 아닌 곳에서 전위차를 발생시키는 효과가 있습니다. 내부 광전효과는 일부에만 쬐여도 자유가 전자들이 퍼져나가며 반도체 전체에 같은 효과를 낳는 효과가 있지만 이 광기전력 효과에 사용되는 특수한 반도체는 전체로 현상이 대전되지 않고 그 일분에만 국한됩니다. 태양전지와 측광 장치, 센서 등에 활용됩니다.

5. 광전 효과의 활용

5-1 태양전지

빛 에너지가 전기로 바뀌는 현상 즉 광기전 효과를 이용한 것이며, 전기기구를 태양전지, 광기전력 전지, 광전지라고 부릅니다. 태양 전지는 그 광원이 태양이라는 데서 유래하였지만, 인공의 빛으로도 작동하기 때문에 광전지라고 해도 의미는 같습니다.

5-2 광다이오드

내부 광전효과에 의해 변화하는 전도도를 이용해 빛을 인식하는 방법으로 작동합니다. 이 원리를 반대로 이용한 것이 LED입니다.