빛의 이중성

1. 빛의 파동성과 입자성

1) 빛의 파동성

빛의 파동성을 통해서 빛이 파동과 같은 서질을 나타내는 현상을 설명할 수 있습니다. 빛을 파동이라고 가정함으로써 빛에서 반사와 굴절이 동시에 일어나고 빛의 간섭과 회절 현상을 설명할 수 있을 뿐만 아니라 물 속에서 빛의 속력이 진공에서보다 느리다는 점을 통해 빛은 파동이라고 주장한 사람들이 있습니다.

2) 빛의 입자성

빛을 입자로 가정함으로써 빛이 직선을 따라 진행할 때 생기는 그림자와 두 빛이 서로 상호 작용하지 않는 현상을 설명할 수 있습니다. 또한 광전 효과 실험을 통해 실험 결과를 빛의 파동성으로 설명할 수 없다는 근거로 빛의 입자성을 주장한 사람들이 있습니다.

3) 광전 효과

광전 효과 실험 장치 중 전류계는 전류의 세기를 측정해 광전관에서 방출되는 광전자 수의 많고 적음을 측정합니다. 또한 전압계로는 전압을 측정하여 광전관에서 방출되는 광전자의 최대 운동 에너지의 크고 작음을 알 수 있습니다. 광전 효과는 금속 표면에 빛을 비췄을 때 금속 표면에서 전자가 방출되는 현상으로, 이때 금속 표면에서 튀어나온 전자를 광전자라 합니다.

2. 광양자설

1) 광양자설

광양자설은 아인슈타인이 광전 효과를 설명하기 위해 제창한 가설로, 빛은 진동수에 비례하는 에너지를 갖는 광자(광양자)의 흐름이고, 광자 한 개의 에너지 $ E $는 진동수 $ f $에 비례한다는 내용입니다. 또한 광전 효과가 나타날 때 세기가 더 큰 빛에 의해 더 많은 전자가 방출됩니다.
$$ E=hf=\frac{hc}{\lambda} $$
이때 $ h $는 플랑크 상수로 $ h=6.63\times 10^{-34}J\cdot s $입니다.

2) 광양자설에 의한 해석

① 일함수(W)

일함수란 금속으로 부터 전자를 떼어내기 위한 최소한의 에너지로 금속의 종류에 따라 그 값이 다릅니다.

② 문턱(한계) 진동수

문턱 진동수는 금속에서 광전자를 방출시킬 수 있는 빛의 최소 진동수입니다.
$$ E_{k}=\frac{1}{2}mv^{2}=hf-W=hf-hf_{0} $$

③ 빛의 파동성으로의 예상과 광전 효과 실험의 결과 비교

빛이 파동이라면 빛의 진동수(색)와 무관하게 에너지를 어느 정도 가하면(세기가 약한 빛을 오래 쪼이면) 세기가 증가하면, 광전자의 최대 운동 에너지가 커져야 합니다. 하지만 실제 광전 효과 실험 결과는 이와 달랐습니다. 문턱 진동수보다 큰 진동수의 빛에서만 광전자가 방출되었고, 아무리 세기가 약한 빛이라도 진동수가 문턱 진동수 이상일 경우 증가하여도 광전자의 최대 운동 에너지가 변하지 않습니다.

3. 빛의 이중성

빛은 입자성과 파동성을 모두 가지며, 어떤 특정한 순간에 입자적 성질과 파동적 성질 중 하나만을 측정할 수 있습니다.
[ConFer]
광양자란 양자화된 에너지를 갖는 빛 입자로, 빛 에너지는 $ hf $의 양의 정수배만 가능하다는 것을 에너지의 양자화라고 합니다. 문턱 진동수($ F_{0} $)는 전자를 떼어내기 위한 최소 진동수이므로 문턱 진동수의 광자 에너지는 금속의 일함수와 같습니다.

4. 빛의 이중성의 활용

1) 광 다이오드

① 구조

광 다이오드는 빛 신호를 전기 신호로 전환시키는 소자로 화재 감지기와 자동문의 광 센서나 태양 전지 등에 사용됩니다. 광 다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체 기판 위에 절연체와 전극이 있는 구조로 전극은 매우 얇은 도체로 되어 있어 빛이 투과하여 p-n 접합면까지 도달 가능합니다.

② 원리

광자 1개의 에너지가 반도체의 띠 간격보다 클 때, 원자가 띠에 있던 전자가 전도띠로 전이하면서 전자-양공 쌍이 생성되고, 생성된 양공과 전자는 각각 p형 반도체, n형 반도체 쪽으로 이동하면서 전류가 흐릅니다. 이때 빛의 세기가 셀수록 전류가 많이 흐르므로 빛의 양을 측정할 수 있습니다.

2) 전하 결합 소자(CCD)

① 구조

전하 결합 소자는 빛의 입자성을 통해 영상 정보를 기록하는 장치로, 디지털 카메라나 우주 천체 망원경, CCTV, 내시경 카메라, 스캐너 등에 활용되고 있습니다. 전하 결합 소자는 아주 작은 광 다이오드(화소) 수백만 개가 규칙적으로 배열된 반도체 소자로 빛을 RGB로 구분하여 통과시켜 주는 필터인 색 필터와 광 다이오드에 빛을 집중시키기 위해 빛을 모아주는 작은 렌즈인 마이크로 렌즈로 구성되어 있습니다.

② 원리

빛이 전하 결합 소자의 광 다이오드에 닿으면 광전 효과 때문에 각 화소에서 전자가 발생합니다. 이때 발생한 전하의 양을 전기 신호로 변환시켜 각 위치에 비춰진 빛의 세기에 대한 영상 정보를 기록합니다.