빛의 정체에 대한 의문과 광전 효과

광전 효과의 발견

1880년대 후반 전자파 연구를 하고 있던 독일의 물리학자 하인리히 루돌프 헤르츠는 전자파의 발신 장치에 자외선을 쏘이면 전자파가 강해지는 현상을 발견하였습니다. 이 현상이 계기가 되어 그는 1887년에 금속에 자외선을 가하면 방전이 일어나기 쉽다는 것을 확인하였습니다. 그 다음 해인 1888년 독일의 물리학자 Wilhelm Ludwig Franz Hallwachs는 대전된 금속에 자외선을 가하면 대전이 손실되는 것을 발견했습니다. 그 후 이러한 현상을 독일의 물리학자 필리프 에두아르트 안톤 폰 레나르트가 자세하게 조사하였습니다. 그 과정에서 그는 금속에 자외선을 비추면 금속에서 전자가 튀어 나온다는 것을 발견했습니다. 그들이 발견한 현상을 '광전 효과'라고 합니다. 광전 효과는 금속에 자외선 등의 짧은 파장의 빛을 비추면 금속 내의 전자가 밖으로 튀어나오는 현상입니다. 이때 전자는 빛에서 에너지를 받아 금속에서 튀어나오는데 전자가 금속 밖으로 튀어나오려면 일정 크기 이상의 에너지가 필요합니다. 레나르트는 광전 효과에 대해 자세히 살펴보고 다음과 같은 흥미로운 성질을 발견했습니다.

     1. 특정 파장보다 짧은 파장의 빛을 비추면 전자는 금속에서 튀어나온다.

     2. 특정 파장보다 긴 파장의 빛을 비추면, 빛의 밝기와 상관없이 전자는 튀어나오지 않는다.

     3. 전자가 튀어나오는 파장의 빛에서, 전자의 에너지는 적용되는 빛의 파장이 짧을수록 커진다.

     4. 전자가 튀어나오는 파장의 빛에서, 전자의 에너지는 빛의 밝기에 영향을 받지 않는다.

     5. 전자가 튀어나오는 파장의 빛에서, 빛의 밝기가 세질수록 튀어나오는 전자의 수가 증가한다.

이러한 현상은 지금까지 학계의 주류였던 빛의 파동설로는 설명할 수 없었습니다. 파동설에서는 어떠한 파장의 빛이라도 밝기를 강하게 하거나 충분한 시간동안 빛을 조사하면 전자에 에너지가 축적되어 금속 밖으로 튀어나와야 합니다. 그런데 현실은 예상에 달리 1과 2의 현상을 나타냈었습니다. 또, 파동설에서는 전자가 튀어나오는 파장의 빛에서도, 빛의 밝기를 강하게 하면, 빛 전체의 에너지는 커지기 때문에, 튀어나오는 전자의 에너지도 커질 것 입니다. 그러나 결과는 3~5와 같았습니다. 이러한 현상은 빛을 파동으로 생각하면 설명이 되지 않지만, 다른 한편에서는 빛이 파동의 성질을 나타내었기 때문에 많은 물리학자가 머리를 싸매게 되었습니다.

빛의 정체

광전 효과의 이상한 현상들을 올바르게 설명한 것은 상대성 이론으로 유명한 알베르트 아인슈타인 입니다. 그는 1905년에 '빛은 진동수(파장)에 비례한 에너지를 가진 입자(광양자 또는 광자)이다'라는 광양자 가설을 발표하여 빛의 정체를 밝혀냈습니다. 그는 빛이 총알과 같은 입자라면, 빛에 부딪쳐서 전자가 튀어나온다는 현상이 성립된다고 생각했습니다. 또한 그는 빛이 진동수에 따른 고정된 에너지를 가진 입자이기 때문에 빛의 밝기를 강하게 해도 광자 1개당 에너지는 변하지 않는다고 생각하고 2, 3, 4의 현상을 설명했습니다. 게다가 빛의 밝기가 강해진다는 것은 광자의 수가 늘어난다고 생각해 5의 현상을 설명한 것 입니다. 아인슈타인이 빛이 입자의 성질과 파동의 성질을 겸비한 광자라고 훌륭하게 결론을 내림으로써 빛의 파동설과 입자설의 논쟁에 종지부가 찍히게 되었습니다. 아인슈타인은 광양자 가설에 의해 1921년 노벨상을 수상했습니다. 사진은 그의 노벨상 수상 기념 우표입니다. 자세히 보면 광전 효과의 메커니즘이 우표의 그림에 표시되어 있습니다. 하단의 검은 가로 막대가 금속 표면이며, 여기에 다양한 파장의 빛이 닿는 것이 무지개 색으로 표시되어 있습니다. 그리고 튕겨져 나가는 검은 공모양이 금속 표면에서 튀어 나오는 전자로, 전자의 에너지의 크기는 화살표의 길이로 표시됩니다. 적색의 빛은 파장이 길고(진동수가 작고) 에너지가 낮고, 청색의 빛은 파장이 짧고(진동수가 크고) 에너지 높기 때문에, 에너지가 낮은 적색의 빛에서는 전자가 튀어나오지 않지만, 푸른 색으로 갈수록 튀어나오는 전자의 에너지가 커진다는 것을 보여줍니다.