광전 효과

광전 효과는 빛과 같은 전자기 방사선이 물질에 부딪힐 때 전자가 방출되는 것이다.이런 식으로 방출되는 전자를 광전자라고 한다.이 현상은 응축 물질 물리학과 고체 상태와 양자 화학에서 연구되어 원자, 분자, 고체의 성질에 대한 추론을 이끌어낸다.그 효과로 인해 빛 검출과 정밀하게 타이밍을 맞춘 전자 방출에 특화된 전자 소자에서 사용이 발견되었다.

실험 결과는 연속적인 광파가 에너지를 전자에 전달하고, 그 다음 충분한 에너지를 축적할 때 방출될 것이라고 예측하는 고전적인 전자석학과는 다르다.빛의 강도의 변화는 이론적으로 방출된 전자의 운동 에너지를 변화시킬 수 있으며, 충분히 희미한 빛으로 인해 방출이 지연될 수 있다.대신에 실험 결과는 빛의 강도나 노출 지속시간에 관계없이 빛이 특정 주파수를 초과할 때만 전자가 이탈한다는 것을 보여준다.고강도의 저주파 빔은 빛의 에너지가 연속적인 파동으로부터 나온다면 그러하듯이 광전자를 생산하는 데 필요한 에너지를 축적할 수 없었기 때문에, 알버트 아인슈타인은 빛의 빔은 공간을 통해 전파되는 파동이 아니라 광자로 알려진 이산 에너지 패킷의 무리라고 제안했다.

전형적 금속에서 전도 전자를 방출하려면 단파장 가시광선이나 자외선에 해당하는 몇 개의 전자볼트(eV) 광 퀀텀이 필요하다.극단적인 경우, 음의 전자 친화력과 흥분 상태의 방출이 있는 시스템처럼 광자가 에너지 0에 가까워지면 방출이 유도되거나, 원자 번호가 높은 원소의 코어 전자에 대해 수백 keV 광자가 유도된다.^[1]광전 효과에 대한 연구는 빛과 전자의 양자 성질을 이해하는 데 중요한 단계로 이어졌고 파동-입자 이중성의 개념 형성에 영향을 미쳤다.^[2]빛이 전하의 움직임에 영향을 미치는 다른 현상으로는 광촉자 효과, 광전 효과, 광전화학적 효과가 있다.

방출 메커니즘

광선의 광자는 광자 에너지라고 불리는 특징적인 에너지를 가지고 있는데, 이것은 빛의 주파수에 비례한다.광분해 과정에서 일부 물질 내 전자가 광자의 에너지를 흡수해 결합 에너지보다 더 많은 에너지를 획득하면 방출되기 쉽다.광자에너지가 너무 낮으면 전자는 물질을 빠져나갈 수 없다.저주파 빛의 세기를 증가시키면 저에너지 광자의 숫자만 증가하기 때문에, 이러한 세기의 변화는 전자를 제거하기에 충분한 에너지를 가진 어떤 하나의 광자도 생성하지 않을 것이다.더구나 방출되는 전자의 에너지는 주어진 주파수의 들어오는 빛의 강도에 따라 달라지지 않고 개별 광자의 에너지에 따라서만 달라진다.

자유 전자는 이것이 콤프턴 효과와 같이 즉각적인 재배출이 뒤따르는 한 조사했을 때 어떤 에너지도 흡수할 수 있지만, 양자 시스템에서는 공정이 양자역학에 의해 허용되는 경우 또는 전혀 흡수되지 않는다.획득한 에너지의 일부는 전자의 원자 결합으로부터 전자를 해방시키기 위해 사용되며, 나머지는 자유 입자로서 전자의 운동에너지에 기여한다.^[3][4][5]물질 내 전자는 서로 다른 결합 에너지로 많은 다른 양자 상태를 차지하고 있고, 물질 밖으로 나가는 과정에서 에너지 손실을 지속할 수 있기 때문에 방출되는 전자는 다양한 운동 에너지를 가질 것이다.가장 많이 점유된 상태에서 나온 전자는 가장 높은 운동 에너지를 가질 것이다.금속에서, 그 전자들은 페르미 수준에서 방출될 것이다.

광전자가 진공 상태가 아닌 고체로 방출될 때 내부 광전 방출이라는 용어가 자주 사용되며, 진공으로의 방출은 외부 광전 방출로 구분된다.

광전자 방출의 실험적 관찰

광 방출은 어떤 물질에서도 발생할 수 있지만 금속이나 다른 도체에서 가장 쉽게 관찰된다.이는 전류의 흐름에 의해 중성화되지 않으면 배기가스가 완전히 멈출 때까지 잠재적 장벽이 증가하는 전하 불균형을 생성하기 때문이다.광 방출에 대한 에너지 장벽은 대개 금속 표면의 비전도성 산화층에 의해 증가하기 때문에 광전 효과에 기초한 대부분의 실제 실험과 장치는 대피한 튜브의 깨끗한 금속 표면을 사용한다.진공상태는 또한 가스가 전극 사이의 흐름을 방해하지 않도록 하기 때문에 전자를 관찰하는데 도움을 준다.

햇빛은 대기의 흡수로 인해 자외선이 많지 않기 때문에 자외선이 풍부한 빛은 마그네슘을 태우거나 아크 램프에서 얻곤 했다.현재는 수은-증기등, 고품격 가스방출 UV등과 무선주파수 플라즈마 소스,^[6][7][8][9] 자외선레이저, 싱크로트론 삽입장치^[10] 광원이 우세하다.

광전 효과를 관측하기 위한 고전적인 설정에는 광원, 빛을 단색화하기 위한 필터 세트, 자외선에 투명한 진공관, 빛에 노출된 방출 전극(E), 전압 V를_C 외부적으로 제어할 수 있는 집광기(C) 등이 포함된다.

양의 외부 전압은 광전자 방출 전자를 수집기로 유도하는 데 사용된다.입사 방사선의 주파수와 강도가 고정되어 있으면 전자가 전극에 점점 더 많이 향하기 때문에 양전압이 증가함에 따라 광전류 I가 증가한다.추가 광전자를 수집할 수 없을 때 광전류는 포화 값에 도달한다.이 전류는 빛의 세기가 증가함에 따라서만 증가할 수 있다.

음전압이 증가하면 최고 에너지 전자를 제외한 모든 전자가 집전기에 도달하지 못하게 된다.관을 통해 전류가 관측되지 않을 때, 음전압은 운동 에너지_max K의 가장 에너지 넘치는 광전자를 감속시키고 정지시킬 수 있을 정도로 높은 값에 도달한 것이다.이 지연 전압 값을 정지 전위 또는 차단 전위 V라고_o 한다.^[11]전하 e의 전자를 정지시킬 때 지각 전위에 의해 수행되는 작업은_o eV이므로, 다음은 eV_o = K를_max. 지탱해야 한다.

전류 전압 곡선은 S자형이지만 정확한 형태는 실험 기하학 및 전극 재료 특성에 따라 달라진다.

주어진 금속 표면의 경우 광전자가 방출되지 않는 어떤 입사 방사선의 특정 최소 주파수가 존재한다.이 주파수를 임계값 주파수라고 한다.입사 빔의 주파수를 증가시키면 방출되는 광전자의 최대 운동 에너지가 증가하며, 정지 전압은 증가해야 한다.각각의 광자가 방출된 전자로 귀결될 확률은 광자에너지의 함수이기 때문에 방출되는 전자의 수도 변할 수 있다.

는 광자의 주어진 시간의 표면에 부분에 비례한다 같은 단색 빛(는 강도도 high[12]지 않다)의 강도에 대한 증가로 전자 ejected—the 광전이다를 현재 I—but은 photoelectrons의 운동 에너지와 제동 전압 rema.t에그는 똑같다.주어진 금속과 입사 방사선의 빈도에 대해 광전자가 배출되는 속도는 입사광의 강도에 정비례한다.

방사선 발생과 광전자 방출 사이의 시차는 10초도⁻⁹ 안 되는 매우 작다.광전자의 각도 분포는 입사광의 양극화(전기장의 방향)에 크게 의존하며, 원자 및 분자 궤도 대칭과 결정 고체의 전자 밴드 구조 등 발광 물질의 양자 특성에도 크게 의존한다.거시적 순서가 없는 물질에서 전자의 분포는 선형 편광의 양극화 방향으로 정점을 이루는 경향이 있다.^[13]이러한 분포를 측정하여 재료의 특성을 유추할 수 있는 실험 기법은 각도 분해 광분광학이다.

이론적 설명

1905년 아인슈타인은 빛이 광자 또는 빛 퀀타라고 알려진 작은 에너지 패킷으로 이루어진다는 막스 플랑크에 의해 처음 제시된 개념을 이용한 광전 효과 이론을 제안했다.각 패킷에는 해당 전자파의 주파수$$ $\nu {\displaystyle }$ ${\$$displaystyle h\nu$ $}$에 비례하는 에너지$$ h ${\displaystyle \nu }$ ${\$$displaystyle \nu$ }이(가) 전달된다.비례 상수 $h{\displaystyle }$ ${\displaystyle h}$은(는) 플랑크 상수로 알려져 있다$$.원자 결합에서 제거되기 전에 이만큼의 에너지를 전달했던 전자의 최대$$ 운동 에너지 ${\$는 다음과 같다.

여기서 $W{\displaystyle }$ ${\displaystyle W}$는 재료 표면에서 전자를 제거하는 데 필요한 최소 에너지다.표면의 작업함수라고 하며 ${\displaystyle \Phi }$ 또는$$ $\phi {\displaystyle }$ ${\displaystyle \varphi }$로 표기되기도 한다$.$^[14] 작업함수가 다음과 같이 표기된 경우분출된 전자의 최대 운동 에너지의 공식은

운동 에너지가 양성이며, 광전 효과가 일어나려면 > {\$displaystyle \nu >\nu _{o}$가 필요하다.^[15]주파수 $\nu {\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$ ${\$는 주어진 재료의 임계값 주파수다.Above that frequency, the maximum kinetic energy of the photoelectrons as well as the stopping voltage in the experiment ${\textstyle V_{o}={\frac {h}{e}}\left(\nu -\nu _{o}\right)}$ rise linearly with the frequency, and have no dependence on the number of photons and the intensity of the impinging monoc혈색의 빛아인슈타인의 공식은 아무리 간단하지만 광전 효과의 모든 현상학을 설명했고, 양자역학의 발달에 광범위한 영향을 미쳤다.

원자, 분자 및 고형물로부터의 광 방출

원자, 분자, 고체로 묶인 전자는 각각 잘 정의된 결합 에너지의 뚜렷한 상태를 차지한다.빛 퀀텀이 이 이상의 에너지를 개별 전자에 전달하면 전자는 전자의 결합 에너지보다 h$$ {\$displaystyle$h\$nu}$ 더 높은$$ (키네틱) 에너지를 가진 여유 공간으로 방출될 수 있다.따라서 운동 에너지의 분포는 원자, 분자 또는 결정체계의 전자 결합 에너지의 분포를 반영한다: 결합 에너지 $E{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle B_{}}$ ${\$에서 상태로부터 방출되는 전자는 운동 에너지 E $k{\displaystyle {}_{}}$= ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle \nu }$- ${\displaystyle E_{}}$ ${\$에서 발견된다$.$기공은 양자체계의 주요 특성 중 하나로 양자화학 및 양자물리학의 추가 연구에 사용될 수 있다.

고형물로부터의 광 방출

순서가 정해진 결정 고형물의 전자적 특성은 에너지와 운동량(고형물의 전자 밴드 구조)에 관한 전자 상태의 분포에 의해 결정된다.고형물로부터의 광 방출의 이론적 모델은 이 분포가 대부분 광전 효과에 보존되어 있음을 보여준다.자외선 및 부드러운 X선 배설에 대한 현상학적 3단계 모델은^[16] 다음과 같은 단계로 효과를 분해한다.^[17][18][19]

1. 사용 중인 전자 상태와 비사용 전자 상태 사이의 직접적인 광학적 전환인 물질 다량의 내부 광전 효과.이 효과는 쌍극자 전환에 대한 양자-기계 선택 규칙에 따른다.전자 뒤에 남겨진 구멍은 2차 전자 방출, 즉 1차 광전자가 물질을 떠나지 않아도 보일 수 있는 이른바 오거 효과를 발생시킬 수 있다.분자 고체에서 음핵은 이 단계에서 흥분하며 최종 전자 에너지에서 위성선으로 보일 수 있다.
2. 고체의 다른 성분과의 상호작용 때문에 일부 전자가 산란될 수 있는 표면으로의 전자 전파.고체의 깊숙한 곳에서 발원하는 전자는 충돌을 겪을 가능성이 훨씬 높고 에너지와 추진력이 변화하면서 나타난다.그들의 평균 없는 경로는 전자의 에너지에 의존하는 보편적인 곡선이다.
3. 전자는 표면 장벽을 통해 자유 전자와 같은 진공 상태로 탈출한다.이 단계에서 전자는 표면의 작업함수의 양에서 에너지를 잃고, 표면에 수직인 방향으로의 운동량 손실을 겪는다.고형에서 전자의 결합 에너지는 페르미 에너지 $E{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle F_{}}$ ${\$에서 가장$$높은 점유 상태에 대해 편리하게 표현되며, 자유 공간(진공) 에너지와의 차이는 표면의 작업 기능이기 때문에 고형에서 방출되는 전자의 운동 에너지는 보통 다음과 같이 기록된다.${\displaystyle E_{}}$ ${\displaystyle k_{}}$= ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle \nu }$- ${\displaystyle W}$- ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle B_{}}$ ${\$

3단계 모델이 광전자 강도 분포의 특성을 설명하지 못하는 경우가 있다.보다 정교한 원스텝 모델은^[20] 그 효과를 파동 기능이 결정 바깥의 자유 전자와 같으면서도 내부에 부패한 봉투를 가지고 있는 유한 결정의 최종 상태로 광신뢰의 일관성 있는 과정으로 취급한다.^[19]

역사

19세기

1839년 알렉상드르 에드몽 베크렐은 전기에 미치는 빛의 영향을 연구하던 중 광전 효과를 발견했다.^[21]광전 효과에 필적하지는 않지만, 광전학에 대한 그의 연구는 빛과 전자적 재료의 특성 사이의 강한 관계를 보여주는 데 중요한 역할을 했다.1873년 윌러비 스미스는 해저 전신 케이블과 관련된 그의 작업과 함께 금속의 높은 저항 성질을 시험하던 중 셀레늄에서 광전도를 발견했다.^[22]

하이델베르크의 학생인 요한 엘스터(1854–1920)와 한스 게이텔(1855–1923)은 빛이 전기화된 신체에 미치는 영향을 조사하고 빛의 강도를 측정하는 데 사용할 수 있는 최초의 실용적인 광전지를 개발했다.^{[23][24]: 458} 그들은 음의 전기를 방출하는 힘과 관련하여 금속을 배열했다: 루비듐, 칼륨, 칼륨과 나트륨의 합금, 나트륨, 리튬, 마그네슘, 탈륨, 아연, 아연의 경우 구리, 백금, 납, 철, 카드뮴, 탄소, 수은의 경우 일반적인 빛과의 효과는 측정하기엔 너무 작았다.이 효과에 대한 금속의 순서는 볼타의 접촉전기에 대한 시리즈와 동일했는데, 가장 큰 전기적 금속은 광전 효과를 낸다.

1887년 하인리히 헤르츠는 광전 효과를^[25] 관측하여 전자파의 생산과 수신을^[26] 보고했다.^[27]그의 장비에 있는 수신기는 전자파를 감지할 때 불꽃이 보일 수 있는 스파크 갭이 있는 코일로 구성되었다.그는 불꽃을 더 잘 보기 위해 어두운 상자 안에 기구를 두었다.그러나 그는 박스 안쪽에서 최대 스파크 길이가 줄어드는 것을 알아챘다.전자파 발생원과 수신기 사이에 놓인 유리 패널은 전자가 그 틈을 뛰어넘을 수 있도록 도와주는 자외선을 흡수했다.제거하면 스파크 길이가 늘어난다.그는 유리를 석영으로 교체할 때 석영으로 인해 자외선이 흡수되지 않기 때문에 스파크 길이가 줄어드는 것을 관찰했다.

헤르츠에 의한 발견은 하르와흐스,^[28][29] 호오르,^[30] 리히^[31], 스톨토프의^[32][33] 일련의 조사로 이어졌는데, 특히 자외선이 충전된 신체에 미치는 영향에 관한 것이었다.홀워치는 아연판을 전기 스코프에 연결했다.그는 갓 청소한 아연 플레이트에 자외선을 떨어뜨릴 수 있도록 했고, 아연 플레이트가 처음에 음전하를 걸면 무전하가 되고, 처음에 음전하를 걸면 양전하를 하고, 처음에 양전하를 걸면 더 양전하가 되는 것을 관찰했다.이러한 관찰을 통해 그는 자외선에 노출되었을 때 아연 판에 의해 음전하 입자가 방출된다는 결론을 내렸다.

헤르츠 효과와 관련하여, 처음부터 연구원들은 광전 피로 현상의 복잡성, 즉 신선한 금속 표면에서 관찰되는 효과의 점진적인 감소라는 것을 보여주었다.홀워치에 따르면 오존은 현상에 중요한 역할을 했으며,^[34] 배출은 산화, 습도, 표면의 광택 정도에 의해 영향을 받았다고 한다.당시는 공백기에 피로가 없는지 불분명했다.

1888년부터 1891년까지의 기간 동안 알렉산드르 스톨토프가 광효과에 대한 상세한 분석을 실시하여 6개의 간행물에 결과를 보고하였다.^[33]Strettov는 광효과의 정량적 분석에 더 적합한 새로운 실험 설정을 발명했다.그는 빛의 강도와 유도 광전류(광 효과의 제1법칙 또는 훔토프의 법칙) 사이의 직접적인 비례성을 발견했다.그는 가스 압력에 대한 광전류의 강도의 의존도를 측정했는데, 여기서 그는 최대 광암호화폐에 해당하는 최적의 가스 압력이 존재한다는 것을 발견했다. 이 성질은 태양전지 생성에 사용되었다.^{[citation needed]}

금속 외에 많은 물질이 자외선의 작용으로 음전기를 방출한다.G. C. 슈미트와^[35] O. 노블라우치는^[36] 이 물질들의 목록을 작성했다.

1899년 J. J. 톰슨은 크로크스 튜브의 자외선을 조사했다.^[37]톰슨은 자신이 말뭉치라고 부르는 분출된 입자가 음극선과 같은 성질의 것이라고 추론했다.이 입자들은 후에 전자라고 알려지게 되었다.톰슨은 진공관에 금속판(음극)을 감싼 뒤 고주파 방사선에 노출시켰다.^[38]진동하는 전자기장으로 인해 원자의 장이 공명하고, 일정한 진폭에 도달한 후 아원자성 말뭉치가 방출되어 전류가 검출되는 것으로 생각되었다.이 전류의 양은 방사선의 강도와 색에 따라 다양했다.방사선 강도나 주파수가 크면 전류가 더 많이 생성될 것이다.^{[citation needed]}

1886–1902년 동안 빌헬름 홀워츠와 필립 레너드는 광전 방출 현상을 자세히 조사했다.레너드는 자외선이 두 전극 중 하나에 떨어질 때 두 전극을 감싸고 있는 진공 유리관을 통해 전류가 흐르는 것을 관찰했다.자외선 복사가 멈추자마자 조류도 멈춘다.이것이 광전 방출의 개념을 시작하게 되었다.자외선에 의한 기체의 이온화 발견은 1900년 필립 레너드에 의해 이루어졌다.그 효과가 수 센티미터의 공기에 걸쳐 생성되어 음보다 많은 양의 이온을 산출했기 때문에, J. J. 톰슨이 그랬듯이, 기체에 존재하는 입자에 대한 헤르츠 효과로서 현상을 해석하는 것은 당연했다.^[27]

20세기

1902년 레너드는 개인의 방출 전자의 에너지가 빛의 주파수(색상과 관련된)에 따라 증가한다는 것을 관찰했다.^[3]이는 전자에너지가 방사선의 강도에 비례할 것이라고 예측한 맥스웰의 빛의 파동 이론과 상충하는 것으로 보였다.

레너드는 강력한 전기 아크 램프를 사용하여 광 주파수의 전자 에너지 변화를 관찰했는데, 이 램프는 전극의 전위 변화를 광 주파수로 조사할 수 있는 충분한 전력을 가지고 있었다.그는 전자에너지를 포토튜브의 최대 정지전위(전압)와 연관시켜 찾았다.그는 최대 전자 운동 에너지가 빛의 주파수에 의해 결정된다는 것을 발견했다.예를 들어, 주파수의 증가는 해방 후 전자에 대해 계산된 최대 운동 에너지를 증가시킨다 – 자외선은 청색 빛보다 광자관에서 전류를 정지시키기 위해 더 높은 적용 정지 전위를 필요로 할 것이다.그러나 레나드의 결과는 실험을 수행하는 데 어려움이 있었기 때문에 양적이라기보다는 질적인 것이었다. 즉, 신선한 절삭된 금속으로 실험을 해야 순수 금속이 관찰될 수 있었지만, 그가 사용한 부분 진공 상태에서도 몇 분 만에 산화되었다.표면에서 방출되는 전류는 빛의 강도, 즉 밝기에 의해 결정되었다: 빛의 세기를 두 배로 증가시키면 표면에서 방출되는 전자 수가 두 배로 증가한다.

랑게빈과 유진^[39] 블로흐의 연구는 레나드 효과의 더 큰 부분이 분명히 헤르츠 효과 때문이라는 것을 보여주었다.그럼에도^{[clarification needed]} 불구하고 가스 자체에 대한 Lenard 효과는 존재한다.J. J. 톰슨에^[40] 의해 리파운딩되었고 그 후 프레데릭 팔머 주니어에 의해 결정적으로 가스 광 방출이 연구되었고 레너드에 의해 처음 기인된 것과는 매우 다른 특성을 보였다.^[41][42][27]

1900년 독일 물리학자 맥스 플랑크는 흑체방사선을 연구하던 중 '정상 스펙트럼에서의 에너지 분배 법칙에 관한 연구'^[43] 논문에서 전자파가 운반하는 에너지는 에너지 패킷에서만 방출될 수 있다고 제안했다.1905년 알버트 아인슈타인은 광전 효과로부터 얻은 실험 데이터를 설명하기 위해 광 에너지가 이산 정량화된 패킷으로 운반된다는 가설을 발전시키는 논문을 발표했다.아인슈타인은 빛의 각 양자 내 에너지가 빛의 주파수에 상수를 곱한 것과 같으며, 후에 플랑크의 상수라고 불리는 것을 이론화했다.임계 주파수 위의 광자는 단일 전자를 배출하는 데 필요한 에너지를 가지고 있어 관측된 효과를 생성한다.이것은 양자역학 발전의 핵심 단계였다.1914년에 로버트 A. 광전 효과로부터 플랑크의 상수에 대한 밀리칸의 고도로 정확한 측정이 아인슈타인의 모델을 뒷받침해 주었는데, 당시 광전 이론은 밀리칸을 위한 것이었지만, "정확한 생각조차 할 수 없는 것"^[44]이었다.아인슈타인은 '광전 효과의 법칙 발견'^[45]으로 1921년 노벨 물리학상을 받았고, 밀리칸은 '전기 및 광전 효과의 기초적 전하 작업'으로 1923년 노벨상을 받았다.^[46]전자기 방사선에 의해 작용하는 원자 및 고형물의 양자 섭동 이론에서 광전 효과는 여전히 파동의 관점에서 분석된다. 광자 또는 파동 흡수는 광자의 에너지 차이가 광자의 에너지 차이인 정량화된 에너지 수준 사이에서만 발생할 수 있기 때문에 두 접근법은 동등하다.^[47][17]

알버트 아인슈타인이 빛의 퀀타 흡수에 의해 광전 효과가 어떻게 발생했는가에 대한 수학적 설명은 "빛의 생산과 변혁에 관한 휴리스틱한 관점"이라는 그의 논문 중 하나에 있었다.이 논문은 광자 즉 광자에 대한 간단한 설명을 제안했고, 광전 효과와 같은 현상을 어떻게 설명했는지를 보여주었다.빛의 이산 퀀타 흡수 측면에서 그의 간단한 설명은 실험 결과와 일치했다.그것은 광전자의 에너지가 입사광의 주파수에만 의존하고 그 강도에 의존하지 않는 이유를 설명하였다: 저강도에서는 고주파원이 몇 개의 고에너지 광자를 공급할 수 있는 반면, 고강도에서는 저주파원이 어떤 전자를 제거하기에 충분한 개별 에너지의 광자를 공급하지 않는다.이것은 엄청난 이론적 비약이었지만, 그 개념은 제임스 서기의 전자석학 방정식에서 자연적으로 따르는 빛의 파동 이론과 모순되고, 보다 일반적으로 물리적 시스템에서 에너지의 무한한 분산을 가정하기 때문에 처음에는 강하게 반발되었다.아인슈타인의 광전 효과 방정식이 정확하다는 실험 결과가 나온 뒤에도 광자 사상에 대한 저항은 계속됐다.

아인슈타인의 연구는 개인의 분출된 전자의 에너지가 빛의 주파수에 따라 선형적으로 증가한다고 예측했다.아마도 놀랍게도, 그 당시 정확한 관계는 테스트되지 않았었다.1905년까지 광전자의 에너지는 입사광의 빈도가 증가함에 따라 증가하며 빛의 강도와는 무관하다는 것이 알려졌다.그러나 증가의 방식은 밀리칸이 아인슈타인의 예측이 정확하다는 것을 보여준 1914년이 되어서야 실험적으로 결정되었다.^[4]

광전 효과는 빛의 본질에 있어서 당시 떠오르는 파동-입자 이중성의 개념을 추진하는데 도움이 되었다.빛은 파동과 입자의 특성을 동시에 가지며, 각각 상황에 따라 발현된다.그 효과는 방출된 전자의 에너지가 입사 방사선의 강도에 좌우되지 않기 때문에 빛에 대한 고전파 설명 측면에서 이해할 수 없었다.^[48][49][50]고전 이론은 전자가 일정 기간 동안 에너지를 '흡수'한 다음 방출될 것이라고 예측했다.^[49][51]

사용 및 효과

광전자 증배기

이것들은 봉투 안에 코팅된 복사기가 있는 극도로 빛에 민감한 진공관이다.포토 음극에는 세슘, 루비듐, 안티몬 등의 재료 조합이 들어 있어 낮은 작업 기능을 제공하므로 매우 낮은 광도로도 조명이 되면 광소드는 전자를 쉽게 방출한다.더 높은 전위에서 일련의 전극(다이노드)을 통해 이들 전자는 가속화되고 2차 방출을 통해 상당히 증가하여 쉽게 감지할 수 있는 출력 전류를 제공한다.광전자 증배기는 낮은 수준의 빛이 감지되어야 하는 곳이라면 어디에서나 여전히 일반적으로 사용된다.^[52]

이미지 센서

텔레비전 초기의 비디오 카메라 튜브는 광전 효과를 사용했는데, 예를 들어 필로 판스워스의 "이미지 디펙터"는 광전 효과에 의해 충전된 화면을 사용하여 광학 이미지를 스캔한 전자 신호로 변환했다.^[53]

광전자 분광학

방출되는 전자의 운동 에너지는 정확히 입사 광자의 에너지로서 원자, 분자 또는 고체 내에서 전자의 결합 에너지를 뺀 것이기 때문에, 결합 에너지는 알려진 에너지의 단색 X선이나 UV 빛을 비추고 광전자의 운동 에너지를 측정함으로써 결정할 수 있다.^[17]전자 에너지의 분포는 이들 시스템의 양자 특성을 연구하는 데 중요하다.또한 표본의 원소 구성을 결정하는 데도 사용할 수 있다.고형물의 경우 광전자의 운동 에너지와 방출 각도 분포는 전자 결합 에너지 및 모멘텀 측면에서 전자 밴드 구조의 완전한 결정을 위해 측정된다.현대적인 각도 분해 광분광학 계기는 1mV와 0.1° 이상의 정밀도로 이러한 양을 측정할 수 있다.

광전자 분광 측정은 일반적으로 고진공 환경에서 수행되는데, 전자가 있으면 가스 분자에 의해 산란되기 때문이다.하지만 일부 회사들은 현재 공기 중에 광 방출이 가능한 제품을 판매하고 있다.광원은 레이저, 방출 튜브 또는 싱크로트론 방사선원이 될 수 있다.^[54]

동심 반구형 분석기는 대표적인 전자 에너지 분석기다.그것은 두 반구 사이의 전기장을 사용하여 운동 에너지에 따라 입사 전자의 궤적을 변화(분산)시킨다.

야간 시력 장치

광자가 영상강화관에서 알칼리 금속이나 갈륨 비소 등 반도체 물질의 박막을 때리면 광전 효과로 인해 광전자가 방출된다.이것들은 인광 코팅 스크린에 부딪쳐 전자를 광자로 다시 변환시키는 정전기장에 의해 가속된다.신호의 강도는 전자 가속을 통해 달성되거나 마이크로 채널 플레이트와 같은 이차 방출을 통해 전자 수를 증가시킴으로써 달성된다.때때로 두 가지 방법의 조합이 사용된다.전자를 전도 대역에서 벗어나 진공 수준으로 이동시키려면 추가적인 운동에너지가 필요하다.이는 광전지의 전자 친화력으로 알려져 있으며, 대역 갭 모델에 의해 설명되는 금지된 대역 이외의 광 방출에 대한 또 다른 장벽이다.갈륨 비소와 같은 일부 물질은 전도 대역 수준 이하인 효과적인 전자 친화력을 가지고 있다.이러한 물질에서 전도대로 움직이는 전자는 모두 물질로부터 방출될 수 있을 만큼 충분한 에너지를 가지고 있기 때문에 광자를 흡수하는 필름은 상당히 두꺼울 수 있다.이 물질들은 음의 전자 친화 물질로 알려져 있다.

우주선

광전 효과로 인해 우주선이 햇빛에 노출되면 양전하가 발생한다.이것은 우주선의 다른 부분들이 그늘에 있기 때문에 우주선이 근처의 플라스마로부터 음전하를 발생시킬 수 있기 때문에 큰 문제가 될 수 있다.그 불균형은 섬세한 전기부품을 통해 배출될 수 있다.광전 효과에 의해 생성되는 정전기 전하가 자가 제한되는데, 고전하 물체는 저전하 물체처럼 쉽게 전자를 포기하지 않기 때문이다.^[55][56]

달먼지

달의 먼지에 부딪히는 태양으로부터의 빛은 광전 효과로부터 양전하를 유발한다.그리고 나서 충전된 먼지는 자신을 밀어내고 정전기 부양을 통해 달 표면에서 떠오른다.^[57][58]이것은 그자체가 거의 "먼지의 대기권"처럼 나타나며, 옅은 안개처럼 보이고 먼 이목구비가 흐려지며, 해가 진 후 희미한 빛처럼 보인다.이것은 1960년대에 측량사 프로그램에 의해 처음 촬영되었고, 가장 최근에 ^[59]창어 3 탐사선은 달 암석에 약 28cm의 먼지가 쌓이는 것을 관찰했다.^[60]가장 작은 입자들은 표면으로부터 수 킬로미터 떨어진 곳에서 밀어내고, 입자들이 충전하고 배출하면서 "분수"로 이동한다고 생각된다.^[61]

경쟁 프로세스 및 광 방출 단면

광자 에너지가 511 keV의 전자 휴식 에너지만큼 높지만 또 다른 과정인 콤프턴 산란도 일어날 수 있다.이 에너지의 두 배 이상에서는 1.022 MeV 쌍 생산도 더 가능성이 높다.^[62]콤프턴 산란과 쌍 생성은 다른 두 경쟁 메커니즘의 예다.

광전 효과가 바운드 전자와 단일 광자의 특정 상호작용에 대한 선호 반응이라 하더라도 그 결과 역시 양자 통계에 의거하여 보장되지 않는다.광전 효과 발생 확률은 교호작용의 단면인 σ으로 측정한다.이것은 대상 원자 및 광자에너지의 원자 번호 함수인 것으로 밝혀졌다.조잡한 근사치에서, 가장 높은 원자 결합 에너지 위의 광자 에너지의 경우, 단면은 다음과 같이 주어진다.^[63]

${\displaystyle \sigma =\mathrm {constant} \cdot {\frac {Z^{n}}{E^{3}}}}}}}}}}}$

여기서 Z는 원자 번호고 n은 4와 5사이의 숫자다.광전 효과는 광자에너지가 증가하면서 스펙트럼의 감마선 영역에서 급격하게 유의미하게 감소한다.원자 번호가 높은 원소에서도 더 가능성이 크다.결과적으로, 고Z 물질은 좋은 감마선 차폐를 만들며, 이것이 납(Z = 82)이 선호되고 가장 널리 사용되는 주된 이유다.^[64]

참고 항목

빛-물질 상호작용
저에너지 현상:
광전 효과
중간 에너지 현상:
톰슨 산란
콤프턴 산란
고에너지 현상:
페어 프로덕션
포토디지스 통합
광분해
v t

• 변칙적인 태양광 발전 효과
• 콤프턴 산란
• 뎀버 효과
• 포토-뎀버 효과
• 광자기 효과
• 광화학
• 원자 및 아원자 물리 연표

참조

외부 링크

위키미디어 커먼즈에는 광전효과와 관련된 미디어가 있다.

• 천문학 캐스트 "http://www.astronomycast.com/2014/02/ep-335-photoelectric-effect/".천문 캐스트.
• 네이브, R, "웨이브-입자 이중성"초물리학.
• "광전효과."물리학 2000.콜로라도 주 볼더 콜로라도 대학교(페이지 없음)
• A셉트 W3 그룹, "광전 효과"애리조나 주립대학, AZ주 템페 물리천문학부
• 하버커른, 토마스, 엔 디팍 "미스티크의 그레인즈: 레이먼을 위한 양자 물리학"아인슈타인은 제3장 광전효과에 대해 논박한다.
• 물리학부 "웨이백 기계에 2009-08-01 광전 효과 보관"데이비드슨 대학의 물리학 320 연구소
• 파울러, 마이클 "광전 효과"버지니아 대학교 물리 252번지
• 아인슈타인의 1905년 논문의 영문 번역본을 읽으려면 "빛의 방출과 변형을 향한 휴리스틱스적 관점"으로 이동하십시오. (역주: 2014년 4월 11일)
• http://www.chemistryexplained.com/Ru-Sp/Solar-Cells.html
• 광전기 변환기: http://sensorse.com/page4en.html

애플츠

• "HTML 5 JavaScript 시뮬레이터" 오픈 소스 물리학 프로젝트
• "광전 효과".PhET 프로젝트.(자바)
• 펜드, 월터 "광전 효과"(자바)
• "어플릿: Photo Effect Archived 2010-03-14 Wayback Machine".오픈 소스 분산 학습 컨텐츠 관리 및 평가 시스템.(자바)