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자연과학 자료실 물리학 실험 - h,e 실험(광전효과)

[자연과학] 물리학 실험 - h,e 실험(광전효과)

(광전효과)

1. 실험제목: h/e 실험 (광전효과)

2. 실험목적:

① `실험1` 빛의 광자이론에 따르면 광전자의 최대 운동에너지(KEmax)는 입사 광선의 주파수에만 의존하며 빛의 세기에는 영향을 받지 않는다. 따라서 빛의 주파수가 높을 수록 에너지가 크다. 반대로 고전적인 빛의 파동설은 광전자의 최대 운동에너지가 빛의 세기에 의존할 것이라 예측한다. 이 실험은 이런 두 주장에 관해 조사하는 것이다.

Part A에서는 수은등으로부터 두 스펙트럼선을 선택하여 빛의 세기의 함수로서 광전자의 최대 운동에너지를 조사한다.

Part B에서는 서로 다른 스펙트럼 선을 선택하여 빛의 주파수의 함수로서 광전자의 최대에너지를 조사한다.

② `실험2` 빛의 입자설에 따르면 빛의 에너지는 그 빛의 주파수에 정비례한다. 따라서 주파수가 높을수록 더 많은 에너지를 갖는다. 주의 깊게 실험해 보면 비례의 일정성 즉, Planck의 상수가 결정된다. 이 실험에서 수은등으로부...(광전효과)

1. 실험제목: h/e 실험 (광전효과)

2. 실험목적:

① `실험1` 빛의 광자이론에 따르면 광전자의 최대 운동에너지(KEmax)는 입사 광선의 주파수에만 의존하며 빛의 세기에는 영향을 받지 않는다. 따라서 빛의 주파수가 높을 수록 에너지가 크다. 반대로 고전적인 빛의 파동설은 광전자의 최대 운동에너지가 빛의 세기에 의존할 것이라 예측한다. 이 실험은 이런 두 주장에 관해 조사하는 것이다.

Part A에서는 수은등으로부터 두 스펙트럼선을 선택하여 빛의 세기의 함수로서 광전자의 최대 운동에너지를 조사한다.

Part B에서는 서로 다른 스펙트럼 선을 선택하여 빛의 주파수의 함수로서 광전자의 최대에너지를 조사한다.

② `실험2` 빛의 입자설에 따르면 빛의 에너지는 그 빛의 주파수에 정비례한다. 따라서 주파수가 높을수록 더 많은 에너지를 갖는다. 주의 깊게 실험해 보면 비례의 일정성 즉, Planck의 상수가 결정된다. 이 실험에서 수은등으로부터 서로 다른 스펙트럼 선을 선택하여 빛의 파장과 주파수에 관한 함수로서 광전자의 최대 에너지를 조사한다.

3. 이론요약

(1) 광전 효과

광전 효과란, ‘빛이 어떤 물체에 부딪칠 때, 전자가 방출되는 현상’을 말한다. 다시 말해서 금속의 표면에 파장이 짧은 빛, 자외선, X선, γ선 등을 비추면 그 표면에서 전자가 튀어 나오는데 이러한 현상을 광전효과(photoelectric effect)라 하고 이 때 튀어나온 전자를 광전자라고 한다.

(2) 빛의 입자설

빛의 입자설이란 한마디로 빛을 하나 하나의 알갱이들로 보는 것이다. 따라서 종래의 파동성으로 설멸하던 것과는 어느 정도 차이가 진다. 고전의 파동 이론에서는 빛의 세기가 세질수록 진폭이 커져 파동 에너지가 커진다고 하는 반면 입자설에서는 빛의 에너지는 빛의 세기와는 관계가 없고 플랑크 상수와 진동수에 관계한다고 주장하는 것이다.

(반면에, 광전 효과에 있어서 광전자들의 흐름(전류)의 크기 혹은 광전자들의 개수는 빛의 세기와 관계있었다.)

(3) 양자 가설

광전 효과를 설명하기 위해 나온 것이 입자설이라고 했는데 그 입자설을 대표하는 것이 플랑크의 양자 가설이다. 그럼, 양자 가설이란 무엇인가

(4) Planck의 양자가설

1800년대 말, 많은 물리학자들은 우주의 주요 이론과, 그 동안 발견한 자연의 모든 법칙들을 설명할 수 있게 되었다고 생각했다. 그러나 과학자들은 몇몇 분야에서 쉽게 설명되지 않는 모순들을 밝혀내기 위해 계속 연구했다.

1901년, Planck는 그의 양자이론을 발표하기에 이르렀다. 그는 Oscillator 혹은 그것과 비슷한 장치에서 만들어낸 몇몇 에너지 값 혹은 에너지 준위 값들을 얻었는데, 이는 그 당시 이론으로는 절대로 얻을 수 없는 값이었다.

진동수 ν 의 빛이 방출 또는 흡수될 때 ν, 2ν, 과 같이 ν의 정수배인 불연속적인 양으로 방출되거나 흡수하며 그 하나하나의 알갱이를 양자라고 한다. 특정 진동수 인 빛에 관계된 양자는 모두 같은 에너지를 가지며, 그 에너지 E는 ν에 비례한다. 여기서 비례상수 는 플랑크 상수이고 그 값은 이다.

Planck상수는 빛의 에너지와 진동수와의 관계 이상으로 중요성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 그리고 양자론의 초석이 되었다. 1918년에 Planck는 그의 양자 이론으로 노벨상을 받았다.

(5) 아인 시타인의 광량자설 및 광전 효과 해석

빛의 입자설을 대표하는 사람을 두사람 꼽자면 플랑크와 더불어 아인시타인을 들 수 있다. 아인시타인은 “빛은 연속적인 파동의 흐름이 아니라 광량자라는 불연속적인 에너지 입자의 흐름으로 광량자 에너지는 플랑크 상수와 그 빛의 진동수 곱으로 표시된다.” 라고 하였다. 진공 속에서의 광속을 c, 광량자의 에너지와 운동량을 E와 p, 진동수와 파장을 ν, , 플랑크상수를 라고 하면

광량자 에너지: E〓ν〓(J)〓pc

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