광전효과, 열, 흑체

광전효과

앙리 베크렐은 방사능을 발견해서 퀴리부부와 함께 노벨상을 받은 인물이다.  두 개의 전극을 액체에 담갔을 때, 전극에 빛을 비추느냐 비추지 않느냐에 따라 다른 반응이 나타났다.  베크렐 부자는 광전효과를 발견한 것이다.  이 실험에 대한 이해와 해석은 수년 뒤 독일 물리학자 하인리히 루돌프 헤르츠에 의해 이루어진다.  헤르츠는 거의 평생을 전자기파 연구에 힘을 쏟다가 1887년 광전효과를 발견했다. 금속판이 빛을 비추면 금속판에서 전자가 튀어나오고,  이때 전자가 얼마나 나오는지는 빛의 밝기에 따라 달라진다는 것을 알아낸 것이었다. 빛의 강도가 일정 밝기 이상을 넘어갈 때에만 문제의 효과가 발생하고 그 이하에서는 전혀 발생하지 않았다. 문제의 답은 아인슈타인이 내놓았다.

 

열에 관한 연구

  켈빈은 1824년 아일랜드에서 태어난 영국의 물리학자이다. 그는 인생 대부분을 열역학, 다시 말해 열의 교환에 관한 연구에 바쳤다.  기욤 아몽통은 1702년에 기체의 온도와 압력 사이의 관계를 증명한 바 있다. 기체 압력이 높아지거나 낮아지면 온도가 올라가거나 내려가고, 온도가 올라가거나 내려가면 압력이 높아지거나 낮아진다는 말이다.  폭죽에 나오는 불꽃은 피부에 닿아도 화상을 입히지 않는다. 그 온도가 1000도에 달하는데도 말이다. 하지만 100도도 되지 않는 뜨거운 차는 뜨겁게 느낀다. 아주 작은 불꽃은 열을 조금밖에 가지고있지 않아서 우리 피부에 전달할 수 있는 열에너지가 거의 없지만, 많은 양의 차는 훨씬 더 많은 열을 전달할 수 있기 때문에 화상을 입히는 것이다. 열은 열이고 온도는 온도이다. 온도를 측정한다는 것은 유체내에서 원자의 이동속도나 고체 내에서 원자의 진동속도를 측정하는 일이다. 이에 비해 열은 물질이 가진 내부에너지를 가리키며, 물질은 이 에너지를 열교한의 형태로 방출하거나, 교환하거나 회복할 수 있다.

 

1848년 켈빈은 연구물질의 온도 변화와 열변화를 결합한 절대온도라는 온도 등급을 내놓았다. 절대 온도가 절대적인 것은 연구 물질의 성질에 좌우되지 않고, 기준 물질을 두지도 않기 때문이다. 이에 비해 섭씨 온도는 물의 녹는 점 0도와 물의 끊는 점 100도를 기준으로 한다.  켈빈의 절대 온도에서는 물질이 어떤 열도 에너지도 띠지 않는 온도인 절대영도를 영점으로 가정한다. 이 절대 영도에는 결코 도달할 수 없다.

 

흑체에 관한 연구

우리가 어떤 물질을 가열하면 그 물질은 복사를 방출한다. 그래서 이 경우 금속은 붉은 색이 되었다가 나중에는 흰색으로 변한다. 흑체는 실험적으로 만들어 낼 수 있다. 사방이 막힌 빈공간에 미세한 구멍을 내면 되는데, 이때 그 구멍으로 들어가는 최소한의 복사는 밖으로 나오지 않고 공간 내부에서 반사를 반복하다가 흡수되면서 자연적인 열평형상태에 이른다.  그 같은 공간을 가열했을 때 구멍에서 방출되는 복사를 측정하면 흑체복사를 측정할 수 있다. 복사에 관한 고전적인 이론에서는 가열된 물체가 방출하는 복사 에너지 양은 그 물체의 절대온도에 비례하고, 그 복사의 파장에는 반비례 한다고 예상했다. 흑체란 자신이 받은 복사를 모두 흡수하는 이상적인 물체를 말한다. 흑체는 어떤 복사도 되돌려 보내지 않는다. 완벽한 거울과 정반대 되는 현상이다.  가시광선을 반사하지 않기 때문에 완전히 검게 보이며 흑체라는 이름도 그래서 붙었다. 그러나 일정온도에 이르면 복사를 방출하는 데 이 현상을 흑체복사라고 한다. 플랑크는 에너지 단위를 에너지 양자energe quantum라고 명명했는데, 여기서 양자quantum는 라틴어로 매우 작은을 뜻한다. 이후 모든 것을 바꾸게 되는 양자론의 출발을 마련한 것이다.

 

아인슈타인의 첫 번째 논문은 ‘ 빛의 생성과 변환에 대한 발견적 견해에 대하여’라는 제목으로 발표했는데, 양자론으로 광전효과를 설명했다. 광자는 광입자를 말한다.  입자로도 파동으로도 작용할수 있을 뿐만 아니라, 전기적으로 중성이면서 크기도 없고 질량도 없게 때문이다. 아인슈타인은 플랑크가 1900년에 내놓은 가설에 근거하여 빛이 더이상 나누어지지 않는 덩어리 즉 빛이 속도로 이동하는 양자의 단위로만 방출되거나 흡수될 수 있다고 말했다.