과   학

1.

서로 분리된 전극에 빛을 비추면 전류가 흐르는 것이 관찰된다. 전류는 전자의 흐름이므로 전류가 검출됐다는 것은 빛이 전극에서 전자를 떼어 내 다른 전극으로 전달해 준 것이라고 볼 수 있다. 이것을 광전 효과라 부르는데, 빛으로부터 전자로 에너지가 전달되는 과정에는 빛의 본성이 파동인가 입자인가 하는 것을 밝혀 주는 단서가 숨어 있다. 아인슈타인은 빛의 파동설로는 광전 효과를 설명하는 데 세 가지 문제가 있음을 밝혔다.

2.

첫째, 파장에 관한 것이다. 빛은 파장이 짧으면 에너지가 강하고 파장이 길면 에너지가 약하다. 만일 빛이 파동의 성질을 지닌 연속적인 흐름이라면, 어떤 파장의 빛이라도 충분히 오래, 그리고 밝게 비추기만 하면, 전자는 에너지를 모았다가 에너지가 충분히 쌓이면 튀어나갈 수 있어야 한다. 그러나 실험 결과, 전자를 떼어내는 빛의 파장은 항상 특정한 파장보다 짧아야 하며, 그렇지 못할 경우 아무리 세기를 높여도 전자가 튀어나오지 않았다. 둘째는 빛의 세기에 관한 것이다. 만일 빛이 연속적인 에너지의 흐름이고 전자가 에너지를 모아서 튀어나온다면, 전극 표면에 비치는 빛의 세기가 강할수록 튀어나오는 전자의 에너지가 커야 한다. 그러나 실험 결과, 튀어나오는 전자의 에너지는 빛의 세기가 아니라 빛의 파장에만 영향을 받았다. 셋째는 반응 시간에 관한 것이다. 만일 전자가 에너지를 모아서 튀어나오는 것이라면, 빛의 세기가 약한 경우 전자가 필요한 에너지를 흡수하는 데 오랜 시간이 걸릴 것이고, 전자가 튀어나올 때까지의 반응 시간이 길어질 것이다. 그러나 실험 결과, 특정한 파장보다 짧은 빛을 비추면 아무리 빛의 세기가 약해도 전자가 곧바로 튀어나왔다.

3.

아인슈타인은 광양자설로 이 문제들을 모두 설명하였다. 전자는 광양자(光量子)――빛을 이루고 있는 에너지의 덩어리――와 충돌해서 광양자 한 개에 해당하는 에너지를 흡수한다. 이때 전자는 마치 공을 탁 쳐 줄 때처럼 광양자와 충돌해서 광양자의 에너지를 흡수하기 때문에 반응 시간이 필요하지 않다. 한편, 특정한 파장의 빛에 해당하는 광양자들은 동일한 에너지를 가지고 있으므로, 광양자의 에너지를 흡수한 전자의 에너지도 일정하다. 그리고 전자는 광양자 한 개에 해당하는 에너지만 흡수하므로, 전자가 튀어나오려면 광양자의 에너지가 양성자와 전자의 결합 에너지보다 커야 한다. 그래서 빛의 파장이 특정한 값보다 짧을 때만 광전 효과를 관찰할 수 있다. 또한 떨어져 나온 전자가 갖는 에너지는 전자가 광양자로부터 받은 에너지에서 전자를 떼어 내는 데 들었던 에너지를 뺀 값인데, 파장이 일정한 이상 광양자의 에너지도 일정하므로 튀어나온 전자의 에너지는 항상 일정하다. 그래서 빛의 세기를 늘리더라도 각각의 전자가 지닌 에너지의 크기는 변화가 없고, 다만 튀어나오는 전자의 수가 증가할 뿐이다.

◆ 2014년 3월 사설 모의고사(대성), 국어B 독서 영역 '과학(물리)' 지문

◆ 개요 : 김은숙, 『빛의 본성과 광전 효과』