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曠田 效果 (光電效果, 獨逸語 : photoelektrischer Effekt , 英語 : photoelectric effect )는 金屬 等의 物質이 限界 振動數 (門턱 振動數)보다 큰 振動數를 가진 (따라서 높은 에너지 를 가진) 電磁氣波 를 吸收했을 때 電子 를 내보내는 現象이다. 이 때 放出되는 電子를 光電子라 하는데, 普通 電子와 性質이 다르지는 않지만 빛에 依해 放出되는 電子이기 때문에 붙여진 이름이다.

알베르트 아인슈타인 이 이 現象을 빛 의 粒子性 을 假定함으로써 說明하였으며, ^[1] 그 功勞로 1921年 에 노벨 物理學賞 을 受賞했다.

빛의 性質에 關한 論難 중 粒子說에 對한 證據로 擧論된다.

放出 매커니즘 [ 編輯 ]

光子 放出 過程(photoemission process)에서, 어떤 物質 內의 電子가 일函數(work function) 以上의 光子 에너지를 吸收하면 빛이 放出된다. 光子의 에너지가 너무 낮으면, 前者는 物質을 벗어날 수 없다. 비춰지는 빛의 世紀가 커지는 것은 光子의 數가 늘어난다는 뜻이므로 더 많은 數의 電子를 들뜨게 만들지만 各各의 電子가 가지는 에너지를 증가시키지는 않는다. 放出된 電子의 에너지는 쪼여주는 빛의 世紀가 아니라 各各의 光子의 에너지 或은 振動數에 影響을 받는다. 入射된 光子와 最外殼 電子 사이의 相互 作用이다. 前者는 光子에 쬐였을 때 光子에게서 에너지를 吸收할 수 있으나, 大部分 電子들은 "1 或은 0(黑白論理, all or nothing)"의 原理를 따른다. 한 光子의 모든 에너지는 原子的 結合에서 한 電子를 자유롭게 하는 데 쓰이고, 남은 에너지는 放出된다. 萬若 光子 에너지가 吸收되면 에너지의 一部는 原子에게서 電子를 떼어내는 데 쓰이고 나머지는 自由 粒子로서 電子의 運動 에너지에 寄與한다.

曠田 效果의 實驗的 觀測 [ 編輯 ]

曠田 效果는 빛이 쪼여진 金屬 表面에서 電子의 放出 觀測 實驗을 說明할 수 있어야 한다. 어떤 金屬에서 光電子를 放出시킬 수 있는 特定 最小 振動數가 있다. 이 振動數를 門턱 振動數 (限界 振動數, threshold frequency)라고 한다. 入社되는 光子의 數를 固定시키고 入射光線의 振動數를 늘린다면(이 때 빛의 에너지는 增加할 수 있다) 放出된 光電子의 最大 運動 에너지를 크게 할 수 있다. 따라서 停止 電壓(stopping voltage)李 커진다. 萬若 빛의 世紀가 커진다 하더라도 光電子의 運動 에너지에는 影響이 없다. 門턱 振動數 以上에서는 光電子의 最大 運動 에너지는 빛의 振動數에 따라 다르고, 빛의 세기가 아주 높지 않은 以上 이와는 獨立的이다. 주어진 金屬과 빛의 振動數에서, 어떤 光電子가 放出될 比率은 빛의 세기와 直接的으로 比例한다. 빛의 세기를 늘리면 停止 電壓은 그대로 維持되나 光電流의 世紀를 늘린다. 빛의 入社와 光電子의 放出 사이의 時間 車는 1ns 以下로 매우 작다.

數學的 技術 [ 編輯 ]

일函數 [ 編輯 ]

金屬 表面에서 電子를 떼어내기 위해 必要한 最小限의 에너지를 일函數라고 한다. 일函數는 ${\displaystyle \varphi }$, W 或은 ${\displaystyle \phi }$로 表記되기도 하며, ${\displaystyle \varphi =h\,f_{0}}$, 로 나타내어진다. 여기에서 ${\displaystyle f_{0}}$는 各 金屬마다의 限界 振動數이다.

最大 運動 에너지 [ 編輯 ]

放出된 電子의 最大 運動 에너지 ${\displaystyle (K_{\mathrm {max} })}$는 h가 플랑크 常數, f가 入射된 光子의 振動數日 때 ${\displaystyle K_{\mathrm {max} }=h\,f-\varphi }$, 로 나타내어진다. 따라서 放出된 電子의 最大 運動 에너지는 ${\displaystyle K_{\mathrm {max} }=h\left(f-f_{0}\right)}$. 이며, 運動 에너지는 羊水여야 하므로 曠田 效果가 發生하기 위해서는 ${\displaystyle f>f_{0}}$與野 한다.

플랑크 의 量子化 槪念과 에너지 保存 法則을 利用하면 光電效果에서의 光電子 放出에 對한 아인슈타인 衣 式을 求할 수가 있다. 電子가 튀어나오는 瞬間 物質 固有의 特定 波長을 限界 波長 理라 하며, 그때의 振動數 를 限界 振動數 (門턱 振動數)라고 한다. 그리고 그 限界 振動數에 플랑크 常數 를 곱한 것을 일函數 라 일컫는다. 入社한 光子 의 에너지 가 ${\displaystyle h\nu }$일 때, 金屬 에서 電子를 떼어내고 남은 에너지는 電子의 運動에너지가 된다. 卽, 에너지 保存 法則 에 따라 다음 等式이 成立한다.

${\displaystyle h{\nu }=}$ 일函數 + 運動에너지

${\displaystyle h{\nu }={\phi }+{{1} \over {2}}m{v^{2}}=h{{\nu }_{0}}+{{1} \over {2}}mv^{2}}$

${\displaystyle {{1} \over {2}}m{v^{2}}=h{\nu }-h{{\nu }_{0}}=-eV_{s}}$

( ${\displaystyle V_{s}}$는 停止 前衛 , ${\displaystyle m}$ 은 電子의 質量, ${\displaystyle v}$는 放出된 電子의 速度, ${\displaystyle h}$는 플랑크 常數 )

이 式으로부터 入社한 光子 의 에너지가 일函數보다 작으면 入射한 빛의 世紀에 關係없이 電子가 放出되지 않는다는 事實을 알 수 있으며, 윗式을 振動數( ${\displaystyle {\nu }}$)와 停止 前衛( ${\displaystyle V_{s}}$)에 關한 그래프로 나타내면 이는 方程式

${\displaystyle {\nu }={{\nu }_{0}}+(-{{e} \over {h}}){V_{s}}}$

로 나타내어지는 直線形임을 알 수 있다. 이 때 그 直線의 기울기는 ${\displaystyle -{{e} \over {h}}}$값으로 恒常 일정하다는 事實을 통해 플랑크 常數 ${\displaystyle h}$의 값을 求할 수 있다.

歷史 [ 編輯 ]

初期의 觀測 [ 編輯 ]

1839年에 알렉산드르 베크렐 은 빛에 露出된 傳導 溶液을 통해 曠田 效果를 觀察하였다. 1873年에, 英國의 電氣 記事였던 윌러비 스미스( Willoughby Smith )가 셀레늄 이 光傳導性을 띰을 發見하였다.

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曠田 效果와 古典 物理學의 限界 [ 編輯 ]

古典 物理學은 光電效果를 說明할 수 없는 明白한 限界를 가지고 있었다.

• 빛의 세기와 振動數에 따른 광電子 運動에너지

古典 物理學에서는 빛의 세기가 增加함에 따라 에너지가 더 빠른 比率로 金屬板에 傳達되고 電子들은 좀 더 큰 運動 에너지로 放出되어야만 한다고 豫測하였으며, 빛의 振動數와 運動에너지 사이에는 아무 關係가 없어야 한다고 豫測하였다. 하지만 光電效果로 인해 튀어나오는 光電子의 最大 運動 에너지는 빛의 世紀에는 無關하며 停止 前衛에 比例한다. 또한 放出되는 光電子의 最大 運動 에너지는 빛의 振動數가 增加함에 따라 增加한다.

• 빛의 振動數에 따른 광電子 運動 에너지

古典 物理學에서는 빛의 振動數와는 無關하게 金屬板에는 에너지가 傳達되므로 빛의 世紀만 充分히 歲다면 振動數와 相關 없이 金屬板에서는 電子가 放出되어야 한다. 하지만 實際 實驗에서는 入社하는 빛의 振動數가 遮斷 振動數 以下일 境遇 光電子가 放出되지 않았으며, 빛의 振動數가 遮斷 振動數 以上이라면 빛의 세기와 無關하게 光電子가 放出되었다.

• 빛의 入社와 光電子 放出 사이의 時間 間隔

古典 物理學에서는 빛의 세기가 弱할 境遇에도 빛이 金屬板에 調査되고 난 다음 電子가 入射한 輻射 에너지를 吸收하여 金屬板에서 脫出하기에 充分한 에너지를 얻는데까지 걸리는 時間이 測定되어야 한다고 豫測하였다. 하지만 實際 實驗 結果는 金屬板에서 放出된 電子들이 매우 낮은 세기의 빛에 對해서도 거의 瞬間的으로 (10 ^-9 sec 보다 짧은 時間으로) 放出되었다.

• 빛 과 關聯된 當時의 支配的인 觀點이던 波動說로 說明 不可

빛을 波動 으로 생각하였던 當時의 觀點에서는 빛이 衝突하여 前者를 튕겨나오게 하는 것에 對해 說明할 수 없었다.

應用과 效果 [ 編輯 ]

포토다이오드와 포토트랜지스터 [ 編輯 ]

太陽 에너지 發展에 使用되는 솔라 셀 과 포토다이오드 는 多樣한 曠田 效果를 利用한다. 그러나, 電子를 放出하는 것을 利用하는 것은 아니다. 半導體 에서는 가시 光線의 光子와 같이 相對的으로 낮은 에너지의 빛이 最外殼 밴드의 電子를 더 높은 에너지의 傳導띠 車낼 수 있으며 그곳에서 그들은 메여서 電流를 發生시키는데 밴드갭 에너지와 關聯된 電壓때문이다.

參考 文獻 [ 編輯 ]

• Serway, R. A. (1990). 《Physics for engineers and scientists》 3板. Saunders Publishing.  
• Stephen T Thornton, Andrew Rex (2006). 《Modern Physics for Scientist and Engineers》 3板. Thomson & Brooks/Cole.  

各州 [ 編輯 ]

外部 링크 [ 編輯 ]

• 네이버 캐스트 - 빛의 二重性 ^{[ 깨진 링크 ( 過去 內容 찾기 )]}