아인슈타인의 광양자설

광전효과의 발견

여러 가지 물질에 가시광선이나 자외선과 같은 전자기파를 비췄을 때 전자가 튀어나오는 현상을 광전효과라 하고, 이때 나온 전자를 광전자라고 한다. 광전효과와 관련된 현상은 1800년대에 처음 발견되었으며, 빛을 비추면 물질의 전기적 성질이 달라진다는 것은 이미 알려져 있었다. 그러나 과학자들이 광전효과에 관심을 가지고 여러 가지 실험을 하기 시작한 것은 전자기파를 발견한 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz, 1857~1894)의 실험이 알려진 후부터다.

영국의 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831~1879)은 빛의 속도로 전파되는 전자기파가 존재하며 빛도 전자기파의 일종이라고 주장했지만 실험을 통해 실제로 전자기파가 존재한다는 것을 확인하지는 못했다. 헤르츠는 맥스웰이 예측한 전자기파를 찾아내기 위해 전자기파를 발생시켜 송신하고 그것을 안테나로 수신하는 실험을 시작했다. 그는 고전압의 유도코일과 축전기(레이던병) 그리고 약간 떨어져 있는 지름 2cm의 청동 구로 만든 두 극을 이용하여 빠르게 진동하는 전기 방전기를 만들었다. 진동수는 축전기의 용량과 유도코일의 인덕턴스를 이용하여 조정할 수 있었다. 이 회로에 흐르는 진동 전류가 전자기파를 발생시켰다.

헤르츠는 1mm 두께의 구리선을 구부려 지름 7.5mm의 원을 만든 다음 한쪽 끝에는 작은 청동 구슬을 달아놓고 다른 쪽 끝에는 바늘을 매달아 청동 구슬 가까이 놓았다. 실제로 전자기파가 발생되어 송신되었고, 이를 안테나로 수신할 수 있었다. 헤르츠는 이 작은 전기불꽃을 더 잘 관측하기 위해 어두운 상자 안에 넣어놓고 관측했다. 그가 상자 안에 수신기를 넣자 방전 시간이 줄어들었다. 송신기와 수신 안테나 사이에 자외선을 차단할 수 있는 유리판을 놓아두어도 방전 시간이 짧아졌다. 유리판을 제거하자 방전시간이 길어졌으며, 유리 대신 자외선을 통과시키는 수정을 놓아두었을 때는 방전 시간에 변화가 생기지 않았다. 이것은 빛이 전기적 성질에 영향을 준다는 것을 나타내는 것이었다.

러시아의 과학자 알렉산드르 스톨레토프(Aleksandr Stoletov, 1839~1896)는 정교한 실험 장치를 이용해 기체에 비춘 전자기파의 세기와 광전효과의 결과로 흐르게 되는 전류가 서로 비례한다는 것을 알아냈다. 이것을 광전효과의 제1법칙 또는 스톨레토프의 법칙이라고 부른다.

 

 

광양자설

빛 에너지가 양자화되어 있다는 것을 밝혀내 광전효과를 성공적으로 설명하고 플랑크가 제안한 양자화 가설을 다시 한번 확인한 사람은 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)이었다. 아인슈타인의 기적의 해라고 불리는 1905년에 현대 과학의 새로운 지평을 연 세 편의 놀라운 논문을 발표했다.

첫 번째 논문은 1905년 6월 9일에 발표한 논문으로, 빛을 금속에 쪼였을 때 전자가 튀어나오는 광전효과를 광양자의 개념을 도입하여 새롭게 분석한 것이었다. 이 논문으로 아인슈타인은 1921년에 노벨 물리학상을 수상한다.

두 번째 논문은 7월 18일에 발표한 논문으로, 브라운운동이라고 알려진 현상을 분석하여 물질이 분자로 이루어졌다는 것을 논증한 것이었다.

세 번째 논문은 9월 26일에 발표된 <운동하는 물체의 전기역학에 대하여>라는 제목의 논문은 특수상대성이론을 제안한 논문이었다.

아인슈타인이 발표한 첫 번째 논문인 광양자를 이용하여 광전효과를 설명한 논문은 빛의 에너지가 양자화되어 있다는 플랑크의 가설을 다시 확인한 것으로, 양자물리학 발전에 중요한 전기가 되었다. 아인슈타인은 물체가 내는 복사선의 에너지가 일정한 값의 정수배로만 방출된다고 주장한 플랑크의 양자화 가설에 흥미를 느끼고 왜 그런 현상이 나타나는지를 생각하다가 복사선의 에너지 알갱이가 아닐까 하는 생각을 하게 되었다. 아인슈타인은 빛이 입자라는 사실을 증명해 줄 실험 결과를 찾던 중 1900년에 레나르트(Philipp Eduard Anton von Lenard, 1862~1947)가 했던 광전효과 실험을 알게 되었다.