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일반화학/[06장] 원자의 전자 구조

빛의 입자설과 광전 효과

by 영원파란 2020. 3. 14.
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빛의 입자설과 광전 효과

광전 효과와 빛의 입자설

 

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▶ 참고: 제6장 원자의 전자 구조. 목차

[ https://ywpop.tistory.com/15222 ]

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☆ 광전 효과와 광자

- 빛은 입자인가?

 

◉ 아인슈타인의 등장 (Einstein, Albert)

1905년, 광량자설 (→ 나중에 노벨상)

 

빛은 파동이 아니라,

E = hν 라는 에너지를 가진 입자이다.

 

 

 

 

 

이렇게 생각하면 플랑크의 이론,

“빛의 에너지는 불연속적이다.”가 맞게 된다.

즉, E = nhν 에서

n은 빛이 가지는 입자의 “개수”로 생각하면 된다.

( “개수”는 정수니까 )

 

그러나 광량자설은 문자 그대로 어디까지나 “가설”이지,

실험에 의해 입증된 것이 아니었다.

 

 

 

 

 

◉ 광전 효과 (Photoelectric effect)

“금속에 빛을 쬐여주면 전자가 튀어나온다.”

(현대) “빛=입자” 임을 입증하는 실험

 

이 현상은 이전부터 알려져 있었던 실험,

단지 실험 결과를 설명할 수 없었을 뿐...

 

 

 

 

 

 

 

◆ 실험

① 빛의 강도(진폭) ② 빛의 진동수(색) 변화에 따른

튀어나오는 전자의 개수와 에너지 측정

 

◆ 실험 결과

a. 입사광의 진동수가 어느 한계값 보다 커야 전자가 방출된다.

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/2155 ] 문턱 진동수

 

 

 

 

 

◆ 실험 결과를 입자의 관점에서 해석하면,

빛은 hν라는 에너지를 가진 입자, 즉 돌멩이이다.

돌멩이 1개가 금속 표면의 전자 1개와 1:1 충돌하고,

충돌한 전자에게만 에너지를 준다.

이 충돌 에너지 때문에 전자가 튀어나온다.

 

 

 

 

 

◆ 실험 결과를 입자의 관점에서 해석하면,

돌멩이 1개가 금속 표면의 전자 1개와 1:1 충돌

 

날아오는 돌멩이의 개수(n)가 증가하면(nhν),

튀어나오는 전자의 개수는 증가하지만, 전자 1개의 에너지는 변화 없다.

 

 

 

 

 

◆ 실험 결과를 입자의 관점에서 해석하면,

돌멩이 1개가 금속 표면의 전자 1개와 1:1 충돌

 

돌멩이 하나만 볼 때 (E = nhν에서 n=1인 경우),

전자를 향해 세게 던지면 (h는 상수니까, ν, 즉 진동수를 증가시키면)

튀어나오는 전자의 개수는 변하지 않지만, 전자 1개의 에너지는 증가한다.

 

 

 

 

 

★ 빛(광자, photon) 에너지를 증가시키는 방법

E = nhν; 20 → 40 에너지 증가

( h = 상수 )

 

A. 빛의 ν 고정, 광자 수(n) 증가

예) 2 kg 짱돌 10개(2×10=20) 던지면, 전자 10개 방출.

2 kg 짱돌 20개(2×20=40) 던지면, 전자 20개 방출.

⇨ 방출 전자 수 증가 (10개 → 20개)

⇨ 전자 1개의 에너지 무변 (∵ 2 kg 짱돌)

 

 

 

 

 

★ 빛(광자, photon) 에너지를 증가시키는 방법

E = nhν; 20 → 40 에너지 증가

( h = 상수 )

 

B. 광자 수(n) 고정, 빛의 ν 증가

예) 2 kg 짱돌 10개(2×10=20) 던지면, 전자 10개 방출.

4 kg 짱돌 10개(4×10=40) 던지면, 전자 10개 방출.

⇨ 방출 전자 수 무변 (∵ 짱돌 10개)

⇨ 전자 1개의 에너지 증가 (2 kg → 4 kg)

 

 

 

 

 

[예제] 광자의 에너지. 즉, 짱돌의 에너지.

파장이 589 nm인 노란색 빛(=광자)의 에너지를 계산하시오.

 

 

 

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/21474 ] 금속의 일함수와 문턱 진동수

 

 

 

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