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[[파일:Photoelectric effect.svg|thumb|right|275px|금속 판에서 전자의 방출을 도시한 그림, 들어오는 광자에서 얻어진 에너지가 물질의 일함수 이상 필요하다이상필요하다.]]
'''광전 효과'''(光電效果, {{llang|de|photoelektrischer Effekt}}, {{llang|en|photoelectric effect}})는 물질에[[금속]] 등의 물질이 고유의 특정 [[빛파장]]을보다 비추었을짧은 때,파장을 가진 (따라서 높은 [[전자에너지]]가를 물질가진) 밖으로[[전자기파]]를 흡수했을때 [[전자]]를 튀어나오는내보내는 현상이다. 이 효과로때 인해방출되는 방출된전자를 전자는광전자라 ''광전자''라고하는데, 불린다.보통 이전자와 현상은성질이 보통다르지는 [[전자기학]],않지만 [[양자화학]],빛에 [[전기화학]]의해 등의방출되는 전자이기 분야에서때문에 많이붙여진 연구된다이름이다.
[[알베르트 아인슈타인]]이 이 현상을 [[빛]]의 [[광자|입자성]]을 가정함으로써 설명하였으며,<ref>{{저널 인용|성=Einstein|이름=Albert|저자고리=알베르트 아인슈타인|제목={{lang|de|Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt}}|저널={{lang|de|Annalen der Physik}}|권=322|호=6|쪽=132–148|연도=1905|doi=10.1002/andp.19053220607}}</ref> 그 공로로 [[1921년]]에 [[노벨 물리학상]]을 수상했다.
고전 전자기학 이론에 따르면, 이 효과는 빛에서 전자로 [[에너지]]가 전달된 것에 기인한다. 이 이론에 따르면 빛의 [[세기 (물리)|세기]]나 [[파장]]의 변화는 금속으로부터 나오는 전자의 방출률의 변화를 야기할 것이며, 아무리 희미한 빛이라도 충분히 시간이 흐르면 전자가 방출될 것으로 예측된다. 그렇지만 실제 실험 결과는 고전 전자기학의 두 예측과 어느 것도 일치하지 않았다.
빛의 성질에 관한 논란 중 입자설에 대한 증거로 거론된다.
대신, 문턱 진동수를 도달하거나 넘은 광자가 전자와 충돌할 때에만 광전효과가 일어났다. 빛이 문턱 [[진동수]]보다 작은 진동수를 가지면 빛의 세기와 쬐여준 시간에 상관없이 전자가 방출되지 않았다. 빛의 세기가 아무리 약해도 광전효과가 일어날 수 있다는 기존 이론의 관점에서 이해하기 위해 [[알베르트 아인슈타인|아인슈타인]]은 빛이 공간을 통해 전달되는 파동이 아니라 각각 ''hf'' 만큼의 에너지를 가진 별개의 파동 묶음([[광자]])의 집합이라고 보았다. 이는 이전에 [[막스 플랑크|플랑크]]의 발견 ''E=hf'' 즉, 에너지의 양자화를 통해 도출된 에너지와 빛의 진동수를 연결시키는 관계식을 떠오르게 한다. ''h'' 는 [[플랑크 상수]]이다.
1887년에 [[하인리히 루돌프 헤르츠|하인리히 헤르츠]]는 자외선올 쬐인 [[전극]]이 더 쉽게 전기 스파크를 발생시킨다는 것을 발견했다. 1905년에 아인슈타인은 광전효과로부터 나온 실험 데이터를 별개의 양자화된 묶음으로 전달되는 빛에너지에 의한 것이라고 설명하는 논문을 발표한다. 이 발견은 이후 양자 혁명을 이끌게 된다. 1914년 [[로버트 밀리컨|밀리컨]]의 실험은 아인슈타인의 광전효과에 관한 법칙을 확인하였다. 이후 아인슈타인은 1921년에 광전효과의 법칙을 발견한 공로로 [[노벨상]]을 받으며 밀리컨은 1923년에 단위 전하와 광전 효과에 대한 그의 업적으로 노벨상을 받았다.
광전효과가 일어나기 위해 광자가 가져야 하는 에너지는 0에 가까운 정도부터(음의 [[전자 친화도|전자친화도]]를 가진 원소의 경우) 높은 [[원자 번호|원자번호]]를 가진 [[원소 (화학)|원소]]의 내부 깊숙히 있는 전자의 경우 1 [[전자볼트|MeV]]를 넘는 정도까지 다양하다. 전형적인 금속의 자유전자의 방출에 필요한 에너지는 수 전자볼트 정도이고 이는 짧은 파장의 가시광선이나 자외선에 해당한다. 광전효과에 대한 연구는 빛과 전자의 양자적 특성을 이해하는데 상당히 기여하였고 [[파동-입자 이중성]] 개념을 형성하는데 영향을 끼쳤다. 빛이 전하의 이동에 영향을 주는 다른 현상들에는 광전도 효과(내부광전효과 또는 광저항력), 광발전 효과, 광전기화학 효과 등이 있다.
광전자 방출은 어떤 물질이든지 일어날 수 있다. 다만 그 과정에서 물질은 전자를 잃고 이것이 전류로 인해 중성화 되지 않는다면 포텐셜 장벽은 방출 전류가 멈출때까지 계속 증가하기 때문에 금속이나 다른 전도체의 경우 쉽게 관측되는 것이다. 그리고 보통 광전자가 방출되는 표면은 진공상태에 놓는다. 그렇지 않는다면 기체가 광전자의 흐름을 방해하고 관측하기 어려워지기 때문이다. 게다가 광전자가 방출될 때 넘어야하는 에너지 장벽은 금속이 산소에 노출됐을 때 생기는 얇은 산소 막이 있을 때 증가한다. 따라서 광전효과에 기초한 실험이나 장치는 진공상태에서의 깨끗한 금속 표면을 사용한다.
== 방출 매커니즘 ==
광자 방출 과정(photoemission process)에서, 어떤 물질 내의 전자가 일함수(work function) 이상의 광자 에너지를 흡수하면 빛이 방출된다. 광자의 에너지가 너무 낮으면, 전자는 물질을 벗어날 수 없다. 비춰지는 빛의 세기가 커지는 것은 광자의 수가 늘어난다는 뜻이므로 더 많은 수의 전자를 들뜨게 만들지만 각각의 전자가 가지는 에너지를 증가시키지는 않는다. 방출된 전자의 에너지는 쪼여주는 빛의 세기가 아니라 각각의 광자의 에너지 혹은 진동수에 영향을 받는다. 입사된 광자와 최외각 전자 사이의 상호 작용이다. 전자는 광자에 쬐였을 때 광자에게서 에너지를 흡수할 수 있으나, 대부분 전자들은 "1 혹은 0(흑백논리, all or nothing)"의 원리를 따른다. 한 광자의 모든 에너지는 원자적 결합에서 한 전자를 자유롭게 하는 데 쓰이고, 남은 에너지는 방출된다. 만약 광자 에너지가 흡수되면 에너지의 일부는 원자에게서 전자를 떼어내는 데 쓰이고 나머지는 자유 입자로서 전자의 운동 에너지에 기여한다.
광자는 빛의 진동수에 비례하는 특정 에너지를 가지고 있다. 광전자 방출 과정에서 물질안에서 한 전자가 하나의 광자의 에너지를 흡수하고 물질의 [[일함수]](전자 구속 에너지)보다 높은 에너지를 얻는다면 전자는 방출된다. 광자의 에너지가 너무 낮다면 전자는 물질을 탈출할 수 없게된다. 진동수가 낮은 빛의 세기를 증가시키는 건 주어진 시간동안 낮은 에너지의 광자의 수를 증가시키는 것이기 때문에 빛의 세기의 변화는 전자를 방출시키기 위해 충분한 에너지를 가진 광자를 생성시키지 못한다. 그러므로 방출된 전자의 에너지는 빛의 세기에 의존하지 않고 오로지 개개의 광자의 에너지(그에 해당하는 진동수)에만 의존한다. 이는 입사 광자와 최외곽 전자 사이의 상호작용이다.
전자는 빛이 조사될 때 광자의 에너지를 흡수할 수 있지만 보통 '양자택일'의 원리는 따른다. 광자 하나의 모든 에너지는 하나의 광자에 흡수되어 물질 밖으로 방출되거나 아니면 다시 에너지를 방출시킨다. 만약 광자의 에너지가 흡수되면, 일정량의 에너지만 전자를 방출시키는데 쓰이고 나머지는 전자의 자유입자로서의 [[운동 에너지]]가 된다.
광전효과 이론은 반드시 빛이 조사된 금속 표면에서 방출된 전자의 실험적 관측결과를 설명해야 한다.
어떤 주어진 금속에 대해 그 밑으로는 광전자가 방출되지 않는 조사되는 빛의 최소 진동수가 존재하는데, 이 진동수를 문턱 진동수라고 부른다. 입사 광선의 광자수는 유지하면서 진동수를 증가시키면(이는 에너지의 비례적인 증가를 의미한다) 방출된 광전자의 최대 운동에너지도 증가하게 된다. 그러므로 정지 [[전압]]도 증가하는 것이다. 또한 방출되는 전자의 수도 증가하는데 이는 광자가 광전자를 발생시킬 [[확률]]이 광자의 에너지에 대한 함수이기 때문이다. 만약 진동수는 유지한채로 입사 광선의 세기를 증가시키면 각각의 광전자에 대한 운동에너지에는 아무런 영향이 없다.
문턱 진동수보다 높은 진동수의 경우 광전자의 최대 운동에너지는 입사 광선의 진동수에 의존하고 입사 광선의 세기가 매우 크지만 않으면 세기와는 무관하다. 그렇지만 광전자 방출률은 입사 광선의 세기에 비례한다. 진동수는 유지한채로 입사 광선의 세기를 증가시키면 정지 전압은 일정함에도 불구하고 광전류의 크기가 증가한다.
빛의 조사와 광전자 방출 사이의 시간 간격 10<sup>-9</sup>초 보다도 작다. 만약 입사 광선이 [[편광]]된 빛이라면 방출된 전자의 진행 방향 분포는 입사 광선의 편광 방향(전기장의 방향)에서 최대이다.
[[파일:Photoelectric effect diagram.svg|섬네일|Diagram of the maximum kinetic energy as a function of the frequency of light on zinc]]
광전자의 최대 [[운동 에너지|운동에너지]] <math>K_{\mathrm{max}}</math>는 다음과 같다.
<math>K_\max = h\,f - \varphi</math> ▼
<math>h</math>는 [[플랑크 상수]], <math>f</math>는 입사광의 진동수, <math>\varphi</math>(<math>W</math> 또는 <math>\phi</math>라고 쓰기도 한다)는 금속 표면에서 전자를 방출시키기 위한 최소한의 에너지인 [[일함수]]이다. 한편 일함수는
<math>\varphi = h\,f_0</math> ▼
를 만족하며, <math>f_0</math>는 금속의 문턱 진동수이다. 따라서 광전자의 최대 운동에너지는
<math>K_\max = h \left(f - f_0\right)</math> ▼
이다. 운동에너지는 항상 양수이므로 <math>f > f_0</math>이어야만 한다.
=== 정지 전압 ===
광전 효과는 빛이 쪼여진 금속 표면에서 전자의 방출 관측 실험을 설명할 수 있어야 한다. 어떤 금속에서, 광전자를 방출시킬 수 있는 특정 최소 진동수가 있다. 이 진동수는 '''문턱 진동수'''(한계 진동수, threshold frequency)라고 불린다. 입사되는 광자의 수를 고정시키고 입사광선의 진동수를 늘린다면(이 때 빛의 에너지는 증가할 수 있다) 방출된 광전자의 최대 운동 에너지를 크게 할 수 있다. 따라서 정지 전압(stopping voltage)이 커진다. 만약 빛의 세기가 커진다 하더라도 광전자의 운동 에너지에는 영향이 없다. 문턱 진동수 이상에서는 광전자의 최대 운동 에너지는 빛의 진동수에 따라 다르고, 빛의 세기가 아주 높지 않은 이상 이와는 독립적이다. 주어진 금속과 빛의 진동수에서, 어떤 광전자가 방출될 비율은 빛의 세기와 직접적으로 비례한다. 빛의 세기를 늘리면 정지 전압은 그대로 유지되나 광전류의 세기를 늘린다. 빛의 입사와 광전자의 방출 사이의 시간 차는 1㎱ 이하로 매우 작다.
전류와 전압 사이의 관계는 광전효과를 잘 묘사한다. 우선, P 판에 빛을 비추고 Q 전극판이 광전자를 받는 다고 생각해보자. 그런 다음 P 와 Q사이의 [[전압]]을 변화시키고 두 판을 연결하는 외부 회로에 흐르는 전류를 측정한다. 만약 입사광의 진동수와 세기가 일정하다면 모든 광전자들이 Q 전극판에 도달하게 되는 순간까지는 회로에 흐르는 [[전류]]는 Q 전극판의 [[전위]]가 양수이고 크기가 커질수록 증가하게 된다. 광전류가 최대 수준에 이르게 되면 더 이상 전극판의 양전위를 증가시켜도 전류는 증가하지 않는다. 광전류의 최대값은 빛의 세기가 증가함에 따라 증가한다. 또한 빛의 에너지가 클수록 광전자가 발생할 확률이 커지기 때문에 빛의 진동수를 증가시켜도 광전류의 최대값을 커진다.
만약 우리가 Q 전극판을 P 판에 대해 음전위로 바꾸게 된다면 또한 그 크기를 증가시키면 광전류는 감소하고 특정 음전위에 이르면 0이 된다. 광전류가 0이 되게 하는 전위를 정지 전압이라고 한다.
=== 일함수 ===
금속 표면에서 전자를 떼어내기 위해 필요한 최소한의 에너지를 일함수라고 한다.
일함수는 <math>\varphi</math>, W 혹은 <math>\phi</math>로 표기되기도 하며,
▲<math>\varphi = h\,f_0</math> ,
로 나타내어진다. 여기에서 <math>f_0</math>는 각 금속마다의 한계 진동수이다.
=== 최대 운동 에너지 ===
i. 입사광의 진동수가 일정하다면 정지 전압은 입사광의 세기에 무관하다.
방출된 전자의 최대 운동 에너지 <math>(K_{\mathrm{max}})</math>는 h가 플랑크 상수, f가 입사된 광자의 진동수일 때
▲<math>K_ {\ mathrm{max }} = h\,f - \varphi</math> ,
로 나타내어진다.
따라서 방출된 전자의 최대 운동 에너지는
▲<math>K_ {\ mathrm{max }} = h \left(f - f_0\right)</math> .
이며, 운동 에너지는 양수여야 하므로 광전 효과가 발생하기 위해서는 <math>f > f_0</math>여야 한다.
[[플랑크]]의 [[양자화]] 개념과 에너지 보존 법칙을 이용하면 광전효과에서의 광전자 방출에 대한 [[아인슈타인]]의 식을 구할 수가 있다. 전자가 튀어나오는 순간 물질 고유의 특정 파장을 한계 [[파장]]이라 하며, 그때의 [[진동수]]를 [[한계 진동수]](문턱 진동수)라고 한다. 그리고 그 한계 진동수에 [[플랑크 상수]]를 곱한 것을 [[일함수]]라 일컫는다.
ii. 입사광의 진동수가 일정하다면 정지 전압은 광전자의 최대 운동에너지 <math>K_\max</math>에 의해 결정된다. 만약 전자의 전하량을 <math>q_e</math>, 정지 전압을 <math>V_0</math>라고 한다면 전자를 정지시키기 위해 전위가 한 [[일 (물리학)|일]]의 양은 <math>q_eV_0</math>이다. 따라서
입사한 [[광자]]의 [[에너지]]가 <math>h\nu</math>일 때, [[금속]]에서 전자를 떼어내고 남은 에너지는 전자의 운동에너지가 된다. 즉, [[에너지 보존 법칙]]에 따라 다음 등식이 성립한다.
:<math>q_eV_0 h{\nu} = K_\max</math> 일함수 + 운동에너지
:<math> h{\nu} = {\phi}+{{1}\over{2}}m{v^2}=h{{\nu}_0}+{{1}\over{2}}mv^2</math>
:<math> {{1}\over{2}}m{v^2} = h{\nu}-h{{\nu}_0}= -eV_s </math>
(<math>V_s</math> 는 [[정지 전위]], <math>m</math> 은 전자의 질량, <math> v </math>는 방출된 전자의 속도, <math>h</math>는 [[플랑크 상수]])
이 식으로부터 입사한 [[광자]]의 에너지가 일함수보다 작으면 입사한 빛의 세기에 관계없이 전자가 방출되지 않는다는 사실을 알 수 있으며, 윗식을 진동수(<math>{\nu}</math>)와 정지 전위(<math>V_s</math>)에 관한 그래프로 나타내면 이는 방정식
이다.
:<math>K_ {\max nu}= h {{\leftnu}_0}+(f - f_0{{e}\rightover{h}}){V_s}</math>
로 나타내어지는 직선형임을 알 수 있다. 이 때 그 직선의 기울기는 <math> -{{e}\over{h}} </math>값으로 항상 일정하다는 사실을 통해 [[플랑크 상수]] <math> h </math>의 값을 구할 수 있다.
이므로 우리는 정지전압이 입사광의 진동수에 선형적으로 관련되어 있다는 것을 알 수 있고, 물질의 종류에 따라 다르다는 것을 알 수 있다. 특정 물질에 대해 광전자를 관측하기 위해서는 빛의 세기는 관련이 없고 문턱 진동수가 존재한다는 것을 확인할 수 있다.
== 역사 ==
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