광전 효과 : 설명 및 응용

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광전 효과는 전자기 방사선을 흡수 한 물질에서 전자가 방출 될 때 발생하는 현상을 말합니다. 물리학 자 알버트 아인슈타인 (Albert Einstein)은 그 효과를 처음으로 설명했으며 그의 작업으로 노벨상을 받았습니다.

광전 효과는 무엇입니까?

Scientific American에 따르면 특정 지점 이상의 에너지를 가진 빛을 사용하여 전자를 느슨하게하여 단단한 금속 표면에서 벗어날 수 있습니다. 광자라고하는 빛의 각 입자는 전자와 충돌하여 전자의 일부를 사용하여 전자를 제거합니다. 나머지 광자 에너지는 광전자라고하는 자유 음전하로 전달됩니다.

이것이 어떻게 작동하는지 이해하면 현대 물리학에 혁명이 일어났습니다. 광전 효과의 응용은 "전기 눈"도어 오프너, 사진에 사용되는 광도계, 태양 전지판 및 광전 복사를 가져 왔습니다.

발견

아인슈타인 이전에는 과학자들이 그 효과를 관찰했지만 빛의 본질을 완전히 이해하지 못했기 때문에 행동에 혼란 스러웠습니다. 1800 년대 후반, 스코틀랜드의 물리학 자 제임스 클러 크 맥스웰 (James Clerk Maxwell)과 네덜란드의 헨드릭 로렌츠 (Hendrik Lorentz)는 빛이 파도처럼 행동하는 것으로 나타났다. 이것은 빛의 파동이 모든 종류의 파동 (물 속의 파동 포함)에 공통적 인 간섭, 회절 및 산란을 어떻게 나타내는지를 통해 입증되었습니다.

그래서 1905 년 아인슈타인의 주장은 빛이 입자들의 집합처럼 행동 할 수 있다는 주장은 고전적인 전자기파 이론과 맞지 않기 때문에 혁명적이었다. 다른 과학자들은 그 이전의 이론을 가정했지만, 아인슈타인은 그 현상이 발생한 이유와 그 의미에 대해 처음으로 자세히 설명했습니다.

예를 들어, 독일의 하인리히 헤르츠 (Hinrich Hertz)는 1887 년에 광전 효과를 처음으로 보았습니다. 그는 금속 전극에 자외선을 비추면 전극 뒤에서 스파크를 이동시키는 데 필요한 전압을 낮추는 것을 발견했습니다. 데이비드 달링

그런 다음 1899 년 영국에서 J.J. 톰슨은 금속 표면에 닿는 자외선이 전자 방출을 일으킨다는 것을 보여 주었다. 1902 년에 Hertz의 전 조교 인 Philipp Lenard의 연구를 통해 광전 효과의 정량적 측정이 이루어졌다. 빛은 전기적 특성을 가지고 있었음은 분명하지만, 진행되고있는 것은 명확하지 않았다.

아인슈타인에 따르면, 빛은 작은 패킷으로 구성되는데, 처음에는 퀀타 (Quanta) 및 이후 광자라고합니다. 광전 효과에서 퀀 타가 어떻게 행동하는지는 생각 실험을 통해 이해할 수 있습니다. 우물 안에 돌기가있는 대리석이 원자에 결합 된 전자와 같다고 상상해보십시오. 광자가 들어 오면 대리석 (또는 전자)에 부딪쳐 우물에서 탈출하기에 충분한 에너지를줍니다. 이것은 가벼운 금속 표면의 동작을 설명합니다.

당시 스위스의 젊은 특허 사무원 인 아인슈타인은 1905 년에이 현상을 설명했지만, 노벨상을 수상한 데 16 년이 더 걸렸습니다. 이것은 미국 물리학 자 Robert Millikan이 연구를 검증했을뿐만 아니라 아인슈타인 상수와 플랑크 상수 사이의 관계를 발견 한 후에 나왔습니다. 후자의 상수는 입자와 파도가 원자 세계에서 어떻게 작동 하는지를 설명합니다.

1922 년 Arthur Compton (X 선도 광자로 취급하여 1927 년 노벨상 수상 가능)과 1931 년 랄프 하워드 파울러 (Ralph Howard Fowler)는 광전 효과에 대한 초기 이론적 연구를 수행했다. 금속 온도와 광전류 사이의 관계.)

응용

광전 효과에 대한 설명은 매우 이론적으로 들리지만, 실제 작업에는 많은 응용이 있습니다. 브리태니커는 몇 가지를 설명합니다.

광전 전지는 원래 음극을 포함하는 진공관을 사용하여 전자를 방출하기 위해 진공관을 사용하여 결과적으로 전류를 수집하기 위해 빛을 검출하는데 사용되었다. 오늘날, 이러한 "포토 튜브"는 태양 전지 및 광섬유 통신과 같은 응용 분야에서 사용되는 반도체 기반 포토 다이오드로 발전했습니다.

광전자 증 배관 (photomultiplier tube)은 광 튜브의 변형이지만 다이 노드 (dynode)라고하는 여러 금속판이 있습니다. 빛이 음극에 부딪친 후 전자가 방출됩니다. 그런 다음 전자는 첫 번째 다이 노드로 떨어지고 두 번째 다이 노드에서 더 많은 전자가 방출 된 다음 세 번째, 네 번째 등으로 방출됩니다. 각 다이노 드는 전류를 증폭시킵니다. 약 10 개의 다이 노드 후에, 전류는 광전자 증 배관이 단일 광자를 검출 할 수있을만큼 충분히 강하다. 이것의 예는 분광학 (예를 들어, 별의 화학 성분에 대해 더 배우기 위해 빛을 다른 파장으로 분해 함)과 신체를 검사하는 전산화 축 단층 촬영 (CAT) 스캔에 사용됩니다.

포토 다이오드 및 광전자 증 배관의 다른 응용 분야는 다음과 같습니다.