소개글
"플랑크"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
1.1. 실험 목적
1.2. 이론적 배경
1.2.1. 역사적 배경
1.2.2. 플랑크-헤르츠 실험
1.3. 실험 기구 및 결과
2. 데이터 분석
2.1. 진동수와 저지전압
2.2. 빛의 세기와 광전류
3. 결과 및 고찰
3.1. 실험 결과 분석
3.2. 오차 원인 분석
3.2.1. 내부 전류 문제
3.2.2. 편광판 각도 오차
3.2.3. 기계적 측정 오류
4. 결론
4.1. 플랑크 상수 측정
4.2. 광전효과 이해
4.3. 실험 개선 방안
5. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
1.1. 실험 목적
빛의 이중성에 의해 빛이 고체표면에 비추어지면 광전자가 운동에너지를 갖고 방출이 되는 광전효과를 관찰하고, 빛의 진동수와 세기를 바꿀 때 저지전압과 광전류가 어떻게 영향을 받는지 알아본다. 이때 플랑크의 양자이론에 대해 이해하고, 광전효과 공식을 통해 플랑크 상수도 측정한다.
고전적인 파동이론들은 실험에서 얻은 빛의 방사의 세기와 파장의 관계를 제대로 설명하지 못했다. 1901년에 막스 플랑크는 실험결과와 이론을 부합하여 새로운 양자 모델을 만들었다. 이 모델에서 진동자와 같은 물리 구조는 불연속적인 준위를 가지고 있다고 가정되며, 빛은 연속적인 에너지 값을 가질 수 없다. 따라서 빛은 양자 형태를 띄게 되었고, 그 크기는 빛의 진동수와 비례하는 식으로 표현된다. 이후 아인슈타인은 이를 바탕으로 빛의 광전효과를 설명할 수 있었고, 빛의 이중성을 발견하였다. 이에 따라 본 실험에서는 편광판의 각도를 바꾸어 빛의 세기를 변화시켜 광전류와의 관계를 살펴보고, 또한 다양한 색의 빛에 대해 저지전압을 측정하여 플랑크 상수를 구하고자 한다.
1.2. 이론적 배경
1.2.1. 역사적 배경
'원자핵이 중심에 있고 전자가 주변을 돈다.' 라는 러더퍼드 모형이 제시된 이후, 러더퍼드 실험에서 발견했던 기존 톰슨 모형의 문제들을 해결할 수 있었다. 하지만 러더퍼드 모형도 가속하는 전자의 안정 문제와 선 스펙트럼이 나타나는 이유에 대하여 설명하지 못하였다. 이후 1901년 플랑크에 의해서 흑체복사를 설명하기 위해 도입된 양자화를 1913년 보어가 원자 모형에 적용 시켜 기존의 문제점을 해결한 보어 모형을 제시하였다. 1914년에는 플랑크와 헤르츠가 수은 증기를 통과하는 전자의 불연속적 에너지 손실과 수은의 자외선 방출에 대한 연구를 하였고, 이를 통해 원자의 전자궤도가 양자화 되어 있다는 보어 모델이 받아들여졌다.
1.2.2. 플랑크-헤르츠 실험
플랑크-헤르츠 실험은 관 속에 수은 증기를 희박하게 넣고 전압을 걸어준 뒤 필라멘트를 가열하여 음극K에서 방출된 열전자가 가속전압이 걸린 그리드 G_2를 통과하여 가게되고 양극P 와 역전압 V_0에 의하여 감속되어 P에 흡수할 때 측정되는 전류를 측정하는 실험이다. 가속 전압을 증가시키면 더 많은 전자가 도달하여 전류가 증가하지만, 전자가 관 속의 기체원자와 충돌하여 운동에너지가 내부에너지로 흡수되지 않으면 전자의 운동에너지는 변화가 없다. 따라서 전자의 운동 방향만 바뀌고 전류의 양에는 큰 변화가 없을 것이다. 하지만 비탄성 충돌로 충돌 에너지를 잃으면 전류가 줄어들 것이다. 관 속의 원자는 바닥상태로부터 띄엄띄엄 에너지 준위를 갖기 때문에 아무 값의 에너지에 들뜨는 것이 아니라, 에너지 준위 차에 해당하는 에너지를 만났을 때 에너지를 흡수하게 된다. 이러한 조건을 만족할 때 완전비탄성충돌을 하게 되어 전자는 모든 운동에너지를 빼앗긴다. G_2의 전압을 서서히 올리면 G_2주위에서 운동에너지가 원자의 첫 번째 여기에너지가 되었을 때 전자가 멈추게 될 것이다. 따라서 증가하던 전류가 감소하게 된다. 그 전압을 초과하여 더 증가시키면 G_2보다 앞쪽에서 완전비탄성충돌이 일어나고, 다시 가속되며 G_2를 통과한다. G_2의 전압이 여기에너지의 두 배가 될 때 까지 전류는 증가하지만 두 배가 되면 G_2근처에서 두 번째 탄성충돌로 에너지를 잃어 다시 전류가 줄어든다. 이로부터 관 속의 원자의 여기에너지를 구할 수 있다. 양극과 음극 사이의 전압 U _{A`} `=`U```+`( PHI _{A} `-` PHI _{C} )여기서 U 는 가해준 전압, PHI_A PHI_C 는 각각 양극과 음극의 일함수이다. 여기에너지는 낮은 점들간의 전위 차이 차이로 결정되기 때문에 일 함수의 영향은 작다. 역전압 V_0를 V보다 크게 해서 P 전위를 음이 되도록 하면 P에는 어떤 전자도 도달할 수 없고 이온화된 원자가 양전하를 띄어 P에 도달하는데 이를 전류계의 눈금으로 관측하면 이온화가 시작되는 전자의 가속전압을 알 수 있으므로 이온화 에너지도 구할 수 있다.
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참고 자료
Jhon W.Jewett, Jr., Ramond A. Serway/ 대학물리학Ⅰ,Ⅱ/ 2015 / 북스힐
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https://en.wikipedia.org/wiki/Franck%E2%80%93Hertz_experiment / wiki-Franck–Hertz experiment
Melvin CarlTeichBahaa E.A.SalehDavidStoler / Antibunching in the Franck-Hertz experiment / Optics Communications / Volume 46 / Issues 3–4 / 1 July 1983 / Pages 244-248
서울대학교 물리천문학부, 『실험 2-7. 광전 효과를 이용한 플랑크 상수 측정, 2017.
Walker, J., Halliday, D. and Resnick, R., Principles of Physics, 10th ed., Wiley, New York (2014)
