[자연과학][물리실험] 광전효과

1. 광전효과 이론

빛이 어떤 금속의 표면에 닿을 때 일정의 전기적인 효과가 일어난다는 것은 20세기 초부터 알려져 있었다. 1887년 헤르츠(Hertz)는 전극에 자외선을 조사하면 좀 더 낮은 전압을 걸어주더라도 두 전극들 사이에서 스파크가 일어나는 것을 발견했다.
위의 그림은 광전효과를 관찰할 수 있는 일반적인 실험장치의 도해도이다. 보통 알칼리 금속으로 코팅된 감광을 할 수 있는 금속판이 진공 상태인 공간 내에 놓여 있는데, 이것은 외부의 전압인가 장치 및 전류계와 직렬로 연결되어있다.
표면이 빛을 받으면 전체 시스템에 전류가 흐르게 되고 다음과 같은 현상들이 관측된다.
1. 빛의 파장이 끊어버림 파장(cutoff wavelength)이라고 하는 특정한 파장 보다 짧지 않은 경우에는 전류가 흐르지 않는다.

2. 일단 파장이 끊어버림 파장보다 짧아지면 저류가 흐르는데 전류의 크기는 빛의 강도 에 비례한다.

3. 끊어버림 파장은 감광(빛을 쪼였을 때 물리적화학적 변화를 일으키는 현상을 말한다) 표면의 금속이 무엇으로 구성되어 있느냐에 따라 달라진다.

아인슈타인은 표면에 도달하는 빛이 플랑크 법칙에 의해 다음 식과 같이 주어지는 에너지를 가진 광자들이라고 가정을 세웠다.
E 〓 h v 〓 h
여기서 h는 플랑크 상수로 6.63 j s 또는 4.14 eV s 의 값을 가지며, v 는 빛의 주파수이다. 광자들은 금속표면에서 전자들을 튀어나가게 만드는데, 물질에 따라서 전자를 튀어나가게 하는데 필요한 에너지가 달라지며 이 에너지를 일함수이라고 한다. 예를 들어, 나트륨(Na)의 경우 일함수는 2.28 eV 이고, 백금의 경우는 6.35eV 이다. 금속표면에서 탈출한 전자가 가지는 에너지는 다음과 같이 주어진다.
E 〓 h v -
여기서 는 주어진 금속의…

① h/e기구를 조정해서 오직 하나의 스펙트럼 선이 광전다이오드 차폐물의 열린 부위에 비추게 한다. 만약에 노랑이나 녹색을 골랐다면 일치하는 색이 칠해진 필터를 h/e기구에 있는 하얀 색의 반사 차폐물(White Reflective Mask)에 장착한다.

② 가변투과필터(Variable Transmission Filter)를 하얀 색 반사 차폐물의 앞에 놓는다.(만약 하나를 사용했다면 컬러필터 위로) 그렇게 해서 빛이 100% mark된 단면을 통과해서 광전 다이오드까지 도달하게 한고 전압을 측정한 후 기록한다.

③ 실험 기구의 방전 버튼을 누른 후 기록된 전압까지 전압이 올라가는 시간을 측정한다.

④ 앞의 과정을 가변 투과 필터의 5가지 단면(100%, 80%, 60%, 40%, 20%)에 대해 반복 실험한다.

⑤ 두 번째 색을 이용하여 절차를 반복한다.

4. 실험결과