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ㆍ 다양한 파장의 LED를 사용하여 플랑크 상수를 측정한다.
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설명
ㆍ 다양한 파장의 LED를 사용하여 플랑크 상수를 측정한다.
ㆍ 저지전압을 측정할 수 있다.
ㆍ 플랑크 상수 실험장치는 다음과 같은 파장대의 광원을 사용한다.
| 1. NIR | 940 nm |
| 2. Red | 640 nm |
| 3. Yellow | 594 nm |
| 4. Blue | 466 nm |
| 5. UV | 405 nm |
ㆍ Vernier MBL 전류 센서, 전압 센서 또는 멀티미터를 이용해서 데이터를 측정한다.
구성
1. 플랑크 상수[디지털멀티미터] (K6.5.10-DM)
2. 플랑크 상수 (K6.5.10)
3. 플랑크 상수[무선] (K6.5.10-G)
실험 이론
1) 광전효과
금속 등의 물질(입자)에 빛을 쪼이면 전자가 방출되는 현상을 광전효과라고 한다. 금속 내의 전자는 원자핵의 (+)전하와 전기력에 의해 속박되어 있는 전자로 구성되어 있다. 이러한 금속에 일정 진동수 이상의 빛(광자)을 비추면 광자와 전자가 충돌한다. 이때 충돌한 전자가 금속 밖으로 튀어나오게 되며 이때 금속 밖으로 튀어나오는 전자를 광전자라고 부른다.
광자가 가지는 에너지(E)는 다음과 같으며 h는 플랑크 상수이고 f는 빛의 진동수를 의미한다.
모든 금속은 각각의 고유한 일함수(W)와 한계진동수(f)를 가지고 있다. 일함수 금속에 속박되어 있는 전자가 방출되기에 필요한 최소 에너지이며 문턱 진동수란 금속에 속박되어 있는 전자가 방출되기에 필요한 빛의 최소 진동수이다.
광전효과 실험에서 금속면에 빛을 비추면 속박되어 있던 전자가 방출되어 음극에 도달하며 이로 인해 전류계에서 광전류를 측정할 수 있다. 광전류가 흐르는 상황에서 음극과 양극 사이에 역전압을 걸어 방출된 전자의 운동을 방해하면 역전압보다 큰 운동에너지를 가진 전자는 음극에 도달할 것이고 역전압을 점점 증가시키면 음극에 도달하는 전자는 점점 줄어들어 끝에는 전류가 흐르지 않게 된다. 광전류가 더 이상 흐르지 않도록 걸어주는 역전압을 저지전압(V)이라고 할 때 광전자의 최대 운동에너지(K_max)은 아래와 같다.
또한 광전자의 최대 운동에너지는 일함수(W)와 한계진동수(f)를 통해 정리할 수 있다.
위에 두 식을 광전자의 최대 운동에너지(K_max)에 대한 두 식을 정리하면 저지전압(V)에 관한 식을 얻을 수 있다.
2) 플랑크 상수
광전효과 현상을 이용하여 플랑크 상수를 정밀하게 측정하고 금속의 일함수를 구할 수 있다. 광전효과란 금속에 일정 진동수의 빛(광자)을 비추었을 때 전자가 방출되는 현상을 말한다.
플랑크 상수 측정하기 위해서는 여러가지 빛의 광전효과에 대하여 저지전압(V)과 한계 진동수(f)의 관계에 대해 확인하고 그래프를 얻는다. 이때 그래프를 나타내는 방정식은 다음과 같다.
위 식을 통해 알 수 있듯이 저지전압(V) 축 절편은 W/e이며 기울기는 h/e임을 알 수 있다.
플랑크 상수 실험에서는 금속에 나타나는 광전효과 현상을 이용하여 플랑크 상수를 측정할 수 있다. 또한 Vernier MBL을 이용하여 보다 정밀한 데이터를 얻을 수 있다.
실험 그래프