목차
Ⅰ. 서 론
Ⅱ. 본 론
1. 광전효과(Photoelectric effect)
2. 광전효과 실험을 통한 플랑크상수 측정
3. 광전효과를 통한 광전자 전압측정 실험
4. 광전효과의 쉬운 이해
5. 세슘판을 이용한 광전효과 실험
Ⅲ. 결론
6. 광전효과 결론
* 참고문헌
Ⅱ. 본 론
1. 광전효과(Photoelectric effect)
2. 광전효과 실험을 통한 플랑크상수 측정
3. 광전효과를 통한 광전자 전압측정 실험
4. 광전효과의 쉬운 이해
5. 세슘판을 이용한 광전효과 실험
Ⅲ. 결론
6. 광전효과 결론
* 참고문헌
본문내용
전자의 전하량은 알고 있으므로 음극에서 방출된 전자의 수를 알 수 있게 된다.
또한, 음극에서 방출되는 전자는 운동 에너지를 가지도 있는데 그 크기는 모두 다르다.왜냐하면, 금속 표면에서 방출되는 전자는 빠른 속도로 방출 되지만, 금속의 깊은 곳에 있는 전자는 느리게 방출되기 때문이다.
가장 빠른 속도를 가진 전자의 방출속도가 v,전자의 질량이 m이라면 전자의 최대 운동에너지는 이 된다.광전효과를 알기 위해서는 전자의 최대 운동에너지를 알아야 한다.
전원을 거꾸로 연결하여 양극의 전압이 (-)의 값을 가지도록 하면 광전자는 양극에서 음극의 방향을 거슬러서 양극에 도달하므로 광전류는 흐른다.만약, 전위차를 크게 하여 어느 일정한 값이 되면 광전류는 흐르지 못하게 되는데, 이때의 전위차가 -V라면 전기장이 전자에게 한 일은 이고, 이것은 전자의 최대 운동에너지와 같다.
따라서 전압 V를 측정하면 광전자의 최대 운동 에너지를 알 수 있다.
광전 효과를 이용한 실험의 결과는 다음과 같다.
1)광전관에서 음극에 비추는 빛의 진동수가 어떤 값보다 작으면, 아무리 센 빛을 비추어도 광전자는 방출되지 않는다.이 진동수를 한계 진동수(>라 하며, 물질마다 다른 값을 갖는다.
2)빛의 진동수가 한계 진동수보다 크면, 빛의 세기에 관계 없이 광전관에 빛을 비추면 그 순간 바로 광전자가 튀어 나온다.
3)아래 그림 (가)와 같이 광전자의 최대 운동 에너지는 빛의 진동수에 따라 커지나, 빛의 세기와는 관계가 없다.
4)아래 그림 (나)와 같이 광전류의 세기(단위 시간에 발생하는 광전자의 수)는 빛의 세기에 비례한다.
아인슈타인은 에너지의 양자 개념을 도입하여 광전효과를 설명하였는데, 빛은 연속적인 파동의 흐름이 아닌, 광자(광량자)라고 불리는 불연속적인 에너지의 흐름으로 광자가 가지는 에너지 E는 플랑크 상수 h와 그 빛의 진동수 의 곱으로 나타 낼 수 있다.
여기서 플랑크 상수 h는 의 값을 갖는다.같은 진동수를 갖는 모든 광자는 같은 에너지를 가지고 있음을 알 수 있다.
진동수가 인 빛을 금속 표면에 쪼여주면 전자는 의 에너지를 얻는데 이 에너지가 일함수 보다 크다면 광전자는 즉시 방출되며, 이 경우 광전자가 갖는 최대 운동에너지는 의 값을 갖는다. 만약 이 진동수가 한계 진동수라면 일함수는 의 값을 가지게 되므로,위 식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
이렇게 빛은 만큼의 에너지를 갖는 광자들의 집합이므로 빛의 총에너지는 의 정수배가 되어야 한다.
이렇게 에너지량에는 최소단위가 있어서 어떤 에너지도 이 최소단위의 정수배가 되
어야 한다면 에너지는 연속적인 값을 가질 수 없다.이것을 에너지의 양자화라고 한다.미시세계의 에너지는 반드시 양자화되어 있으며, 거시세계의 에너지는 양자화가 된 에너지의 수가 무한대에 가까울 정도로 많이 모여서 이룬 것이므로 사실상 연속적으로 보인다.
< 정 리 >
1. 광전 효과--금속에 파장이 짧은 빛을 비추면 전자가 튀어나오는 현상
2. 일함수--금속표면에서 전자가 떼어 내는데 필요한 에너지
3. 전자의 최대 운동 에너지 ()
5. 세슘판을 이용한 광전효과 실험
-광전효과는 아인슈타인이 발표하여 노벨물리학상을 받은 이론으로 광전효과를 통해 빛에 대한 새로운 관점을 세우게 되었다.
-원리: (내가 들은 ebs 물리 1을 참고했다.)
광전관안에 세슘판과 금속을 놓고 세슘판과 금속에 전선을 연결한다. 두 전선을 전압과 가변저항에 연결한다. (실험준비완료)
상태: k가 세슘판, p가 금속이다. a, b는 각각 전류, 전압계이고 c는 가변저항이다. 현재처럼 연결하면 세슘판(K)는 +극, 금속(P)는 -극이 된다.
< 실험 >
1) 세슘판에 빛을 쏘여준다. 그러면 광자가 세슘판에 부딪히고, 세슘의 전자가 에너지를 지니게 되어세슘판으로부터 튀어나온다.(광전효과) 하지만 세슘판이 +극이라서전자가 튀어나오는 것을 방해한다. 저항을 변화시키다 보면어느 순간 세슘판의 +극이 모든 전자의 운동을 100%방해하여 전자가 못튀어나오게 하는 순간이 있는데 이 순간의 전압을 정지전압 Vs라 하자.
참고로 전기에너지=VIt=V(Q/t)t=VQ (Q는 전하량)이므로 정지 전압시에 전기에너지는 eVs가 된다.(e는 기본전하량) 그런데 전기에너지보다 전자의 운동에너지가 크면 전자가 튀어나오고, 둘이 같은 시점이 전자가 안 튀어나오는 순간이다. 이때의 전압을 아까 Vs라고 잡았었다. 즉, eVs=Ek (Ek는 광전자-광자와 충돌하여 튀어나오는 전자-의 운동에너지)이다. (한마디 더하자면 전압은 바꾸면서 실험한다. 즉, 전자의 튀어나옴을 도와줄 수도 있다.)
2) 실험결과정지전압~도움전압에서 전자가 튀어나온다. 그리고 빛의 세기가 셀수록 많은 전류가 흘렀다. 즉, 많은 수의 전자가 튀어나왔다. 그러나 같은 색의 빛에서 빛의 세기를 늘린다고 해도 정지전압에는 변화가 없었다. 즉, 광전자의 운동에너지는 변화가 없었다. 다시 말하면, 광전자의 속도는 변화가 없었다.
그런데 빛의 색을 변화시키자(빛의 진동수를 변화시킴) 정지전압이 변했다. 즉, 광전자의 속도가 변했다. 빛의 세기가 일정할 때 진동수가 큰 빛(청색)이 진동수가 작은빛(적색)보다 정지전압이 높았다. 즉, 같은 세기의 빛이라도 진동수가 클수록 광전자의 속도가 빨랐다. 또 어떤 진동수(한계진동수) 이하의 빛은 아무리 세기가 세도 광전자가 방출되지 않았다. 고전물리학에서는 있을 수 없는 일이다.
< 실험결론 >
아인슈타인은 빛을 입자라고 생각했다. 즉, 광량자(광자 Photon)이 있고 광자 한개의 에너지는 플랑크의 양자가설에 의해 E=hf가 된다고 생각했다.
생각해보자..금속에 빛을 쪼여준다. 빛의 에너지가 E=hf이다. 그러면 전자가 방출된다. 이 전자의 운동에너지를Ek라 하자. 그리고 금속의 양이온이 전자를잡아당기는인력도 있다. 이것을 일함수라 하며 W라 하자. 그러면 hf=W+Ek -> Ek=hf-W 가 된다. 광전자는 광자로부터 일을 받게 되는데 이때 금속이 광전자에 해준 일(일함수)은 빼야된다.이것이 광전방정식이다. 그래프는 다음과 같다.
fo는 한계진동수이다. 한계진동수 이하에서는 Ek가 음수로 나오기
또한, 음극에서 방출되는 전자는 운동 에너지를 가지도 있는데 그 크기는 모두 다르다.왜냐하면, 금속 표면에서 방출되는 전자는 빠른 속도로 방출 되지만, 금속의 깊은 곳에 있는 전자는 느리게 방출되기 때문이다.
가장 빠른 속도를 가진 전자의 방출속도가 v,전자의 질량이 m이라면 전자의 최대 운동에너지는 이 된다.광전효과를 알기 위해서는 전자의 최대 운동에너지를 알아야 한다.
전원을 거꾸로 연결하여 양극의 전압이 (-)의 값을 가지도록 하면 광전자는 양극에서 음극의 방향을 거슬러서 양극에 도달하므로 광전류는 흐른다.만약, 전위차를 크게 하여 어느 일정한 값이 되면 광전류는 흐르지 못하게 되는데, 이때의 전위차가 -V라면 전기장이 전자에게 한 일은 이고, 이것은 전자의 최대 운동에너지와 같다.
따라서 전압 V를 측정하면 광전자의 최대 운동 에너지를 알 수 있다.
광전 효과를 이용한 실험의 결과는 다음과 같다.
1)광전관에서 음극에 비추는 빛의 진동수가 어떤 값보다 작으면, 아무리 센 빛을 비추어도 광전자는 방출되지 않는다.이 진동수를 한계 진동수(>라 하며, 물질마다 다른 값을 갖는다.
2)빛의 진동수가 한계 진동수보다 크면, 빛의 세기에 관계 없이 광전관에 빛을 비추면 그 순간 바로 광전자가 튀어 나온다.
3)아래 그림 (가)와 같이 광전자의 최대 운동 에너지는 빛의 진동수에 따라 커지나, 빛의 세기와는 관계가 없다.
4)아래 그림 (나)와 같이 광전류의 세기(단위 시간에 발생하는 광전자의 수)는 빛의 세기에 비례한다.
아인슈타인은 에너지의 양자 개념을 도입하여 광전효과를 설명하였는데, 빛은 연속적인 파동의 흐름이 아닌, 광자(광량자)라고 불리는 불연속적인 에너지의 흐름으로 광자가 가지는 에너지 E는 플랑크 상수 h와 그 빛의 진동수 의 곱으로 나타 낼 수 있다.
여기서 플랑크 상수 h는 의 값을 갖는다.같은 진동수를 갖는 모든 광자는 같은 에너지를 가지고 있음을 알 수 있다.
진동수가 인 빛을 금속 표면에 쪼여주면 전자는 의 에너지를 얻는데 이 에너지가 일함수 보다 크다면 광전자는 즉시 방출되며, 이 경우 광전자가 갖는 최대 운동에너지는 의 값을 갖는다. 만약 이 진동수가 한계 진동수라면 일함수는 의 값을 가지게 되므로,위 식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
이렇게 빛은 만큼의 에너지를 갖는 광자들의 집합이므로 빛의 총에너지는 의 정수배가 되어야 한다.
이렇게 에너지량에는 최소단위가 있어서 어떤 에너지도 이 최소단위의 정수배가 되
어야 한다면 에너지는 연속적인 값을 가질 수 없다.이것을 에너지의 양자화라고 한다.미시세계의 에너지는 반드시 양자화되어 있으며, 거시세계의 에너지는 양자화가 된 에너지의 수가 무한대에 가까울 정도로 많이 모여서 이룬 것이므로 사실상 연속적으로 보인다.
< 정 리 >
1. 광전 효과--금속에 파장이 짧은 빛을 비추면 전자가 튀어나오는 현상
2. 일함수--금속표면에서 전자가 떼어 내는데 필요한 에너지
3. 전자의 최대 운동 에너지 ()
5. 세슘판을 이용한 광전효과 실험
-광전효과는 아인슈타인이 발표하여 노벨물리학상을 받은 이론으로 광전효과를 통해 빛에 대한 새로운 관점을 세우게 되었다.
-원리: (내가 들은 ebs 물리 1을 참고했다.)
광전관안에 세슘판과 금속을 놓고 세슘판과 금속에 전선을 연결한다. 두 전선을 전압과 가변저항에 연결한다. (실험준비완료)
상태: k가 세슘판, p가 금속이다. a, b는 각각 전류, 전압계이고 c는 가변저항이다. 현재처럼 연결하면 세슘판(K)는 +극, 금속(P)는 -극이 된다.
< 실험 >
1) 세슘판에 빛을 쏘여준다. 그러면 광자가 세슘판에 부딪히고, 세슘의 전자가 에너지를 지니게 되어세슘판으로부터 튀어나온다.(광전효과) 하지만 세슘판이 +극이라서전자가 튀어나오는 것을 방해한다. 저항을 변화시키다 보면어느 순간 세슘판의 +극이 모든 전자의 운동을 100%방해하여 전자가 못튀어나오게 하는 순간이 있는데 이 순간의 전압을 정지전압 Vs라 하자.
참고로 전기에너지=VIt=V(Q/t)t=VQ (Q는 전하량)이므로 정지 전압시에 전기에너지는 eVs가 된다.(e는 기본전하량) 그런데 전기에너지보다 전자의 운동에너지가 크면 전자가 튀어나오고, 둘이 같은 시점이 전자가 안 튀어나오는 순간이다. 이때의 전압을 아까 Vs라고 잡았었다. 즉, eVs=Ek (Ek는 광전자-광자와 충돌하여 튀어나오는 전자-의 운동에너지)이다. (한마디 더하자면 전압은 바꾸면서 실험한다. 즉, 전자의 튀어나옴을 도와줄 수도 있다.)
2) 실험결과정지전압~도움전압에서 전자가 튀어나온다. 그리고 빛의 세기가 셀수록 많은 전류가 흘렀다. 즉, 많은 수의 전자가 튀어나왔다. 그러나 같은 색의 빛에서 빛의 세기를 늘린다고 해도 정지전압에는 변화가 없었다. 즉, 광전자의 운동에너지는 변화가 없었다. 다시 말하면, 광전자의 속도는 변화가 없었다.
그런데 빛의 색을 변화시키자(빛의 진동수를 변화시킴) 정지전압이 변했다. 즉, 광전자의 속도가 변했다. 빛의 세기가 일정할 때 진동수가 큰 빛(청색)이 진동수가 작은빛(적색)보다 정지전압이 높았다. 즉, 같은 세기의 빛이라도 진동수가 클수록 광전자의 속도가 빨랐다. 또 어떤 진동수(한계진동수) 이하의 빛은 아무리 세기가 세도 광전자가 방출되지 않았다. 고전물리학에서는 있을 수 없는 일이다.
< 실험결론 >
아인슈타인은 빛을 입자라고 생각했다. 즉, 광량자(광자 Photon)이 있고 광자 한개의 에너지는 플랑크의 양자가설에 의해 E=hf가 된다고 생각했다.
생각해보자..금속에 빛을 쪼여준다. 빛의 에너지가 E=hf이다. 그러면 전자가 방출된다. 이 전자의 운동에너지를Ek라 하자. 그리고 금속의 양이온이 전자를잡아당기는인력도 있다. 이것을 일함수라 하며 W라 하자. 그러면 hf=W+Ek -> Ek=hf-W 가 된다. 광전자는 광자로부터 일을 받게 되는데 이때 금속이 광전자에 해준 일(일함수)은 빼야된다.이것이 광전방정식이다. 그래프는 다음과 같다.
fo는 한계진동수이다. 한계진동수 이하에서는 Ek가 음수로 나오기
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