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[7 주] 파동의 입자성 2 – 광전 효과, X-선
<선수 학습 확인>
1.
연습 문제 풀이
2. 전자기파
3. 흑체 복사
<본 학습 개요 설명>
[1] 광전 효과란?
- 금속판에 진동수가 큰 빛(자외선)을 쪼여주면 전자(광전자)가 튀어나오는 현 상
[2] 광전 효과 장치;
1) + 극에 광선을 쏘임 2) 전자가 - 극에 도달
3) 전압 V를 증가시키면 전자 감소 4) 어떤 전압 V0에서 정지
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[3] 결과 ; 전자기파 이론으로 설명 불가능
1) 광전효과는 빛이 아무리 약해도 쬐인 순간에 일어난다.
고전적 계산으로는 2달 이상의 시간 필요.
2) 광양자의 에너지 분포가 빛의 세기와 무관하다.
즉, 센 빛은 약한 빛 보다 더 많은 광전자를 방출하지만 전자의 평균에 너지는 같다.
3) 진동수가 높을수록 광전자는 더 큰 에너지를 갖는다.
금속마다 고유한 임계진동수가 존재하며 이 진동수 보다 큰 진동수를 가진 빛을 쪼여야 광전자가 방출된다.
또, 광전자의 최대 에너지는 진동수에 비례하여 증가 한다.
[4] Quantum Theory of Light(빛의 양자론) 1) 1905년 Einstein이 발표
- 빛은 photon(광자)라는 에너지 덩어리로 구성되어 있다.
- 광전효과를 Plank의 양자 개념을 이용하여 설명
2) Plank; 전기 진동자의 에너지가 h의 독립된 양자로 되어 있으나, 전 자기파 자체는 파동 이론에 따른다.
Einstein;
(1) 에너지가 독립된 양자일 뿐만 아니라 전자기파가 전달하는 에너 지도 양자이다.
(2) 3개의 광전효과 실험 결과를 설명;
- 전자기파에너지가 광자에 집중되어 있으므로 광전자 방출이 지연 되지 않는다.
- 진동수 인 모든 광자는 같은 에너지를 가지므로 빛의 세기를
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증가시키면 광전자의 수는 증가하지만 그 에너지는 증가하지 않는다.
- 진동수 가 클수록 광자에너지 h는 커지고, 따라서 광전자 에너지 도 커진다.
3) 광전 효과;
- Work function(일함수)
; 전자를 금속 표면에서 떼어 내는데 필요한 최소 에너지
= h0 ...(2.7)
; 금속의 일함수가 클수록 전자가 표면을 벗어나는데 더 많은 에너지가 필요하고, 광전자 방출이 일어나는 임계진동수(0)는 커진다.
; [표2.1] 금속의 광전자 일함수
- 광전 효과;
h = KEmax +
여기서 h; 광자 에너지
KEmax; 최대 광전자 에너지 ; 일함수
- 다시 쓰면;
h = KEmax + h0
KEmax = h - h0 = h( - 0 ) ... (2.9) 그런데 KEmax와 의 관계가 [그림 2.12]이고,
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Einstein이 옳다면 직선의 기울기는 상수 h와 같아야 할 것이다. 실제로 같다!!!
4) 광자 에너지, E = h; 전자볼트(eV) 사용 시 book (2. 10)식, (2.11)식 참조
- [예제 2.2] 풀기
- [열이온 방출] 읽어보기
* 연습문제 풀이;
2.4 What is Light ?
파동과 입자의 이중성을 갖는다
(1) 빛의 이중성
- 파동성; 수면파 형태, 회절, 간섭, 에너지 전달
- 양자론; 에너지 덩어리 형태, 광전효과
(2) 빛의 파동성;
- 스크린에서 파의 세기, I ; 전기장 E의 제곱에 비례
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(3) 빛의 입자성;
- 빛의 세기; 단위 면적에 단위 시간에 도착하는 광자수(N)에 비례 - 광자수가 많으면 연속 분포한 빛, 적으면 불규칙한 반짝임을 볼 수 있 다.
(4) 빛은 동시에 파동성과 입자성을 보이는 것은 아니다.
- 광자 1개라면 어떻게 간섭 무늬를 형성할까? 어느 슬릿을 지날까?
- 각각의 광자가 파동성을 가졌다.
- 파동성 또는 입자성 중의 하나를 보일 뿐이다. 즉, 슬릿 통과 시에는 파 동성을 스크린을 때릴 때에는 입자성을 보인다.
(5) 빛의 파동성과 양자론은 서로 상보적(complementary) 이다.
- 각각 특정 현상만 설명가능
- 빛의 ‘참 모습’은 이중성 - 일상적으로 나타내 보이기 어렵다.
2.5 X-rays (x-선)
고에너지 광자
- 광전효과; 빛의 광자 -(에너지 전달)→ 전자
// ← (가능 ?) - // ; 이미 발견
1. X-선의 발견; 1895 Rentgen
- 빠른 전자로 물체를 때렸을 때 발생 - 투과력이 크고, 직진
- 형광 물질을 빛나게 - 사진 건판을 감광
- 전자가 빠를수록 투과력이 좋고, 전자가 많을수록 강도가 세진다.
* 과학자 Roentgen; book 참조
2. X-ray는 파장이 짧은 전자기파
- 제동복사(braking radiation); 급격한 정지에 의한 전자기파 발생
3. X-ray의 파장; 1912년 Raue가 측정
- 결정체의 격자 이용
- 0.013-0.048 nm; 가시광선 파장의 1/만 배, 즉 가시광선의 1만배 에너지 - 현재 x-ray의 파장; 0.01-10 nm( 감마선 및 자외선과 일부 중복)
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4. X-선 관; [그림 2.15]
- 음극 가열; 열전자 방출
- 고전압; 전자를 양극쪽으로 가속 - 진공
- 표적; 경사지게 설치
* 현대식 x-선 관 모양; book 참조
5. X-ray 스펙트럼
- 고전 이론과 실험의 불일치 - [그림 2.16] 텅스텐 표적
- [그림 2.17] 몰리브덴 표적
- 몰리브덴의 경우; 특정 파장에서 peak 발생(x-ray 발생 증가) 금속에 따라 다름, 즉 특정 파장의 x-ray 존재
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6. X-선의 λ
min(최소파장)이 존재; 전압에 반비례
* 빛의 양자론으로 설명 가능;
- 표적에 입사 전자 충돌(운동에너지 손실) 대부분 → 표적 가열 - 몇몇 전자는 에너지의 대부분 또는 모두 손실 → x-선 발생
7. 역 광전효과; x-선 발생 과정
- 광전효과; 광자의 에너지 → 전자의 운동 에너지
역 광전효과; 광자의 에너지 ← 전자의 운도 에너지(x-선 발생 시) - 짧은 파장 → 높은 진동수 → 높은 광자 에너지 h
- 즉, x-선 발생 과정은 역광전효과이다
* x-ray 응용; CT(Computerized tomography); book 참조 [예제 2.3] 풀기
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2.5 X-ray Diffraction
x-ray 파장을 결정
1. 원자에 의한 전자기파 산란
- 결정에 x-ray가 입사하면 격자점에 있는 원자에 의하여 산란 - 외부 전기장 → 원자내 전자와 핵이 분극(약함); 미소 전기 쌍극자 - 진동수가 인 전자기파의 전기장을 걸어주면 → 미소 쌍극자가 진동 → 진동수가 인 전자기파 재 방출(등방적, 구면파)
- [그림 2.18] 참조
2. X-선의 간섭
- 단일 x-선을 결정면에 입사시키면 원자의 규칙적인 배열 때문에 산란파 가 간섭(보강 간섭, 상쇄 간섭) 발생
- 1913년 Bragg가 발견
- Bragg 평면; 결정에서 x-선 간섭을 일으키는 원자의 규칙적인 배열 면
- 보강 간섭 조건;
2dsinθ = nλ (n= 1, 2, 3, .... 정수) ...(2.13)
3. X-선 분광계; [그림2.21]
- Bragg 평면들 사이의 간격 d를 알면, x-선의 파장 λ 계산 가능
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2.7 Compton 효과
광자 모형의 또 다른 확인
- 빛의 양자론에서 ‘광자’; 정지 질량이 0인 입자처럼 행동,
그렇다면 광자와 전자 사이에 당구공처럼의 충돌을 생각할 수 있을까?
1. 광자가 잃은 에너지 = 전자가 얻은 (운동)에너지
h - h' = KE
그런데 E = pc이므로 광자의 운동량은 p = E/c = h/c
2. 운동량이 보존 되므로, 충돌 전 운동량 = 충돌 후 운동량
그런데 운동량은 수평 방향과 수직 방향으로 보존되어야 하므로이하 계산 과정은 book 참조;
3. Compton 효과 식;
- 1923년 Compton이 유도, 실험 - 광자의 입자성 증거
4. Compton 파장; λ
c - 전자의 경우;5. Compton 효과 식;
- 최대 파장 변화량 = 180∘ 때, λc의 2배 4852 pm(10-12m) - Compton 효과는 x-선에 대해서만 관측 가능
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* [예제 2.4] 풀기
* 과학자 Compton; book 참조
6. 시범 실험;
- [그림 2.23] 장치;
-[그림 2.24] 실험 결과;
(2.17)식의 파장 변화를 나타냄
2.8 Pair Production(쌍생성)
에너지가 물질로!
1. 쌍생성; 광자가 전자와 양전자(positron)로 변화, 즉 전자기 에너지 가 물질로 변화
- 보존 법칙 성립;
전하량 보존; 0 = -, +
질량 에너지 보존; 1.02 MeV = 0.51 MeV + 0.51 MeV 선운동량 보존
- 이 때 광자의 최대 파장; 1.2pm(선)
2. 쌍소멸; 전자-양전자 소멸, 쌍생성의 반대 과정
e+ + e- → +
1.02 MeV 각각 0.51 MeV - 질량 보존
- 에너지, 선운동량 보존
* 쌍생성에 대한 거품상자 사진; book 참조
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* [예제 2.5, 2.6] 풀기
3. 광자 흡수
(1) 빛, x-선, -선의 광자가 물질과 상호작용하는 3가지 주요 방법;
(2) 에너지에 따른 광전효과, Compton효과, 쌍생성의 상대적 확률;
(3) 복사 세기; 흡수체의 두께에 따라 지수적으로 감소
* [그림 2.29] 납의 광자에 대한 선형감쇄상수- book 참조 * [예제 2.7] 풀기
2.9 Photon and Gravity(광자와 중력)
광자는 비록 정지 질량은 없지만 중력 질량이 있는 것처럼 행동한다.
1. 광자와 전자의 상호작용 시;
광자의 질량; m = p/v = h/c2
2. 중력의 영향;
- 자유낙하
- 광자; 빛의 속도보다 더 빨라질 수 없다. 그러나 mgH에 해당하는 만큼 에너지
는 증가한다. 즉 진동수가 ⟶‘로 된다.
광자의 마지막 에너지 = 광자의 처음 에너지 + 에너지 증가
...(2.28) * [예제 2.8] 풀이
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3. Gravitational Red Shift(중력 적색 편이)
- 지구를 향하는 광자의 진동수가 증가한다면, 지구로부터 멀어지는 광자 의 진동수는 줄어들어야 할 것이다.
별 표면에서의 위치 에너지; PE= - GMm/R 광자의 위치 에너지; V= -GMh/c2R
광자의 총 에너지= 양자 에너지(h) + 위치 에너지(PE) E = h - GMh/c2R
= h(1 - GM/c2R) ...(1)
지구처럼 별에서 멀리 떨어진 곳에서; 별의 중력장=0, 광자의 총 에너지
는 별 표면에서의 값과 같다.
E = h' ...(2)
(1) = (2) 관계에서
h' = h(1 - GM/c2R)
“ 중력 적색 편이 ”
- 진동수 감소로 측정
- 파장이 긴 적색 쪽으로 이동
- Doppler 적색 이동과는 다름(우주팽창)
* 실험 관측;
- 원자 여기 상태; 특정 진동수의 빛을 방출 - 태양; M/R이 너무 작아서 측정 불가
- 백색왜성(밀도 매우 큼, 반지름 작음, 질량 매우 큼); 중력 적색 이동 관 측
2. Black Hole(블랙홀)
(1) 별의 밀도가 매우 클 때;
GM/c2R ≧ 1, 광자가 별에서 나올 수 없다!! ---- Black Hole (2) Schwarzschild 반경; 어떤 물체가 블랙홀이 되는 반경 GM/c2R ≧ (1/2)
Rs = 2GM/c2
- 블랙홀에서 탈출 속도 = c, 즉 아무것도 벗어날 수 없다.
- 반경 Rs 구면; event horizon(사건 지평선), 내부에서 일어나는 일을 외부에서 볼 수 없다.
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(3) 블랙홀 관측 방법;
* 이중성의 하나가 블랙홀 일 때; 다른 별에 대한 중력 효과로 존재 추정 * 우주나 물질을 삼키고 x-선을 방출;
(예) Cygnus x-1; 태양 질량의 8배, 반경 10km, x-선 방출 영역
수백 km
* [읽기] 퀘이사와 은하 * 연습 문제 풀이