HIGH 2 / UNIT 08

빛의 이중성과 광전 효과

「전자기와 양자」 광전 효과로 빛의 입자성을 설명하고 광자 에너지를 계산합니다.

BIG QUESTION

아주 밝은 빨간빛은 금속에서 전자를 떼어 내지 못하는데, 희미한 자외선은 왜 떼어 낼까요?

CORE IDEAS / 05

빛의 이중성과 광전 효과: 핵심 개념

고2 수준에 맞춰 이 단원에서 꼭 알아야 할 내용을 정리했어요.

  1. 01

    빛은 간섭·회절처럼 파동의 성질과, 광전 효과처럼 입자의 성질을 함께 보여요(빛의 이중성).

  2. 02

    빛은 광자라는 에너지 덩어리로 전달되며, 광자 1개의 에너지는 진동수에 비례해요(E = hf, 플랑크 상수 h ≒ 6.6×10⁻³⁴ J·s).

  3. 03

    금속에 문턱 진동수보다 큰 진동수의 빛을 비추면 광전자가 즉시 튀어나오지만, 문턱 진동수보다 작으면 빛이 아무리 세도 나오지 않아요.

  4. 04

    광전자의 최대 운동 에너지는 E_k = hf − W(W: 금속의 일함수)라서 빛의 세기가 아니라 진동수가 클수록 커져요. 빛의 세기가 세지면 광자 수가 늘어 광전자 수가 늘어나요.

  5. 05

    전자 같은 입자도 파동성을 보이며, 운동량이 p = mv인 입자의 물질파 파장은 λ = h ÷ p예요.

풀이 예제

예제 1

일함수가 2.0 eV인 금속에 광자 1개의 에너지가 3.0 eV인 빛을 비추었어요. 튀어나오는 광전자의 최대 운동 에너지는 얼마일까요? 또 진동수는 그대로 두고 빛의 세기만 2배로 하면 어떻게 될까요?

  1. 1광자 에너지 3.0 eV가 일함수 2.0 eV보다 크므로 광전자가 튀어나와요.
  2. 2최대 운동 에너지: E_k = hf − W = 3.0 eV − 2.0 eV = 1.0 eV
  3. 3빛의 세기만 2배로 하면 광자 1개의 에너지는 그대로라서 최대 운동 에너지도 1.0 eV로 같아요.
  4. 4대신 단위 시간에 도착하는 광자 수가 2배가 되어 튀어나오는 광전자 수(광전류)가 약 2배로 늘어요.

답최대 운동 에너지 1.0 eV, 빛의 세기를 2배로 해도 1.0 eV이고 광전자 수만 늘어요.

예제 2

진동수가 5.0×10¹⁴ Hz인 빛을 일함수가 3.0×10⁻¹⁹ J인 금속에 비추었어요. 광전자가 튀어나올까요? 튀어나온다면 최대 운동 에너지는 얼마일까요? (h = 6.6×10⁻³⁴ J·s)

  1. 1광자 1개의 에너지: E = hf = 6.6×10⁻³⁴ J·s × 5.0×10¹⁴ Hz = 33×10⁻²⁰ J = 3.3×10⁻¹⁹ J
  2. 23.3×10⁻¹⁹ J이 일함수 3.0×10⁻¹⁹ J보다 크므로 광전자가 튀어나와요. (문턱 진동수 f₀ = W ÷ h ≒ 4.5×10¹⁴ Hz보다 진동수가 커요.)
  3. 3최대 운동 에너지: E_k = 3.3×10⁻¹⁹ J − 3.0×10⁻¹⁹ J = 0.3×10⁻¹⁹ J = 3.0×10⁻²⁰ J

답튀어나와요. 최대 운동 에너지는 3.0×10⁻²⁰ J

생활 속 예

디지털카메라의 이미지 센서는 광자가 반도체 속 전자에 에너지를 주어 전하를 만드는 현상을 이용해, 들어온 빛의 양을 전기 신호로 바꿔요.

핵심 용어
광자
빛의 에너지를 hf 단위로 나르는 입자
일함수
금속 표면에서 전자 1개를 떼어 내는 데 필요한 최소 에너지
문턱 진동수
금속에서 광전자가 튀어나오기 시작하는 빛의 최소 진동수
물질파
입자가 운동할 때 나타나는 파동으로, 파장은 h ÷ mv
더 깊이 보기빛과 물질의 이중성물리 핵심 단원 ↗
LEVEL / 논증과 탐구

수학적 모형과 불확실성을 고려해 과학적 주장을 논증합니다.

논증하기검증하기한계 평가하기
APPLY IT

빛의 이중성과 광전 효과, 직접 해 보세요.

배운 개념이 주변에서 실제로 맞는지 관찰하고, 핵심 용어로 설명해 보세요.

  1. STEP 1

    광전 효과 시뮬레이션에서 빛의 세기와 진동수를 따로 바꾸며 광전자가 방출되는지 기록한다.

  2. STEP 2

    문턱 진동수보다 낮은 진동수의 빛은 아무리 세게 비추어도 광전자가 나오지 않는 까닭을 설명한다.

  3. STEP 3

    디지털카메라의 이미지 센서와 태양 전지가 빛의 입자성을 이용하는 방식을 조사한다.

LEARNING GOALS

빛의 이중성과 광전 효과 학습 목표

이 사이트가 정한 단원별 학습 목표예요. 국가 교육과정의 공식 성취기준이 아니에요.

  1. 01

    광전 효과에 문턱 진동수가 있는 까닭을 광자 개념으로 설명할 수 있다.

  2. 02

    광자 에너지 E = hf를 이용해 광전자의 최대 운동 에너지를 계산할 수 있다.

DATA LAB / TABLE & GRAPH

수치에서 패턴을 찾아보세요.

바꾼 조건: 일함수 2.0 eV인 금속에 비춘 광자의 에너지(2.5·3.0·3.5·4.0 eV) · 측정한 값: 광전자의 최대 운동 에너지 (eV)

일함수 2.0 eV인 금속에 비춘 광자의 에너지(2.5·3.0·3.5·4.0 eV)광전자의 최대 운동 에너지 (eV)
조건 10.5
조건 21
조건 31.5
조건 42
조건 10.5
조건 21
조건 31.5
조건 42
증거 평가형

자료를 근거로 내릴 수 있는 가장 타당한 결론은 무엇인가요?

PRACTICE / 05

빛의 이중성과 광전 효과: 개념을 적용해 보세요.

진행 중
01 / 빛의 이중성과 광전 효과

금속에 빛을 비출 때 광전자가 튀어나오는지를 결정하는 것은?

02 / 빛의 이중성과 광전 효과

광전자가 튀어나오는 금속에 같은 진동수의 빛을 세기만 2배로 하여 비추면?

03 / 빛의 이중성과 광전 효과

일함수가 2.5 eV인 금속에 광자 1개의 에너지가 4.0 eV인 빛을 비출 때, 광전자의 최대 운동 에너지는?

04 / 빛의 이중성과 광전 효과

빛의 파동성을 보여 주는 현상은?

05 / 빛의 이중성과 광전 효과

같은 속력으로 움직이는 전자와 양성자의 물질파 파장을 비교한 것으로 옳은 것은?

SCIENTIFIC EXPLANATION

주장–증거–추론으로 설명하세요.

아주 밝은 빨간빛은 금속에서 전자를 떼어 내지 못하는데, 희미한 자외선은 왜 떼어 낼까요?

INTERACTIVE LAB / 더 깊이 보기

관련 핵심 단원에서 조건을 바꾸며 더 깊이 살펴보세요.

‘빛과 물질의 이중성’ 핵심 단원: 광전 효과와 광자, 물질파, 원자의 에너지 준위로 빛과 물질이 파동성과 입자성을 함께 지닌다는 현대 물리의 관점을 이해합니다.

빛과 물질의 이중성 핵심 단원 열기 ↗