광전효과
광전효과는 금속 표면에 광선을 입사하면 전자가 튀어나오는 현상을 말합니다.
단순히 생각하면 빛의 에너지가 전기에너지의 형태로 변형되는 것입이다.
단, 금속마다 일정 주파수 이상의 빛을 입사해야만 전자가 튀어나오는데, 이렇게 전자가 튀어나올 수 있는 최소한의 에너지를 일함수(work function)이라고 합니다.
보통 광전효과 실험으로 나트륨(Na)과 같은 알칼리 금속들이 자주 사용되는데, 이것은 알칼리 금속들의 일함수가 작기 때문에 낮은 주파수의 가시광선으로도 광전효과를 쉽게 일으킬 수 있기 때문입니다.
광자 한 개의 에너지 크기
빛(전자기파)은 파동인 동시에 입자입니다.
같은 진동수의 빛이라면, 빛이 운반하는 에너지의 크기는 서로 같습니다.
빛은 하나하나의 알갱이처럼 움직이며, 반쪽짜리 알갱이는 존재하지 않습니다.
한 개의 빛 알갱이가 운반하는 에너지의 크기는 다음과 같습니다.
\[ E = h\nu \]
h는 플랑크 상수(6.626×10-34J·s), ν(뉴)는 빛의 진동수(s-1)입니다.
빛의 속도를 c (299,792,458 m/s)라고 하면
\[ \nu =\frac { c }{ \lambda } \]
이므로, 광자의 에너지 크기를 다음과 같이 쓸수도 있습니다.
\[ E=\frac { hc }{ \lambda } \]
λ는 빛의 파장(m)입니다.
광전자의 운동 에너지와 저지 전압
위 시뮬레이션과 같은 광전 효과 실험 장치에서, 적당한 크기의 진동수를 가진 단색광을 금속면에 비추면 금속면에서 광전효과로 인해 전자가 방출됩니다.
이 때 양극과 음극 사이에 전압을 걸어 방출된 전자의 운동을 방해한다면, 방출되는 전자의 운동에너지가 감소하여 마침내 전자는 방출되지 않을 것입니다.
이 전압을 저지 전압이라고 합니다.
즉, 저지 전압을 걸지 않은 상태에서 방출되는 전자의 최대 운동에너지 Kmax는 저지 전압에 전자의 전하량을 곱한 것과 같습니다.
\[ { K }_{ max }\, =\, eV \]
또한, 금속 표면 자체가 전자의 방출을 방해하는 것도 있습니다. 이를 일함수 W(Work Function)라고 합니다.
따라서, 저지 전압이 걸려있지 않은 경우, 방출되는 전자의 운동에너지는 다음과 같이 구할 수 있습니다.
\[ { K }_{ max }\, =\, h\nu \, -\, W \]
저지 전압이 걸린 경우, 방출되는 전자의 최대 운동에너지
저지 전압이 걸린 경우, 방출되는 전자의 최대 운동에너지 Kmax는 다음과 같이 계산됩니다.
\[ { K }_{ max }\, =\, h\nu \, - \, W \, - \, (저지 전압에 의한 에너지 손실) \]
에너지의 단위 J을 eV로 바꾸기
광전효과와 관련해서는 에너지의 단위를 eV로 맞추는 것이 여러모로 편리합니다.
1 eV는 전자 1개가 1V의 전위차에서 가속될 때의 에너지량입니다.
\[ 1eV \, = \, 1.6×{ 10 }^{ -19 }J \]
미래의 에너지원, 태양
이와 같은 광전효과는 태양광 발전의 기본 개념이 됩니다. 즉, 일정 주파수 이상의 빛을 쪼여주면 즉시(시간의 지연이 전혀 없음) 전자가 튀어나옵니다.
이 전자가 전기 회로를 돌 수 있도록 한다면, 태양광 발전이 되는 것입니다.
태양전지는 모래속에 들어 있는 규소(Si, 실리콘)를 가공해서 만든 반도체입니다. 태양전지에 햇빛이 비치면 그 속의 전자가 움직이고 이것이 도선을 따라 흘러가는데, 이러한 전자의 흐름에 의해서 전기에너지가 만들어집니다.
태양전지는 보통 반도체로 많이 사용하는 얇은 규소판의 양쪽 면에 각각 아주 적은 양의 인과 붕소를 첨가해서 만듭니다.
시중에 많이 판매되는 규소 태양전지는 햇빛에 포함된 에너지의 15~25% 가량을 전기로 바꿀 수 있습니다.
태양전지판 한 장의 출력 전압은 약 0.6V 밖에 되지 않습니다. 그래서 보통은 여러 개의 판을 이어 붙여서 출력 전압과 전류를 높이고 있습니다.
* 프로그램 구성에 도움을 주신 김성규 선생님께 감사의 말씀 드립니다.