[물리전자] 2.1.1 양자역학의 기본 개념(Energy Quanta)

 

CHAPTER 2

​Introduction to Quantum Mechanics

 

2.1 Pricniples of Quantum Mechanics

오늘부터 양자 역학에 대해 간략하게 알아보겠습니다.

거시 세계에서는 고전 역학에 의해 충분한 설명이 잘 되는 반면, 미시 세계에서는 고전 역학으로는 설명이 되지 않는 현상이 일어납니다.

우리가 다루려고 하는 반도체 소자는 크기가 매우 작기 때문에, 반도체 소자에서 전류-전압 특성을 이해하기 위해서는 전자의 거동을 이해할 필요가 있습니다. 따라서, 미시 세계에서의 전자의 거동을 이해하기 위해서 양자 역학에 대해 알아보려는 것이 이 장의 목적입니다.

 

먼저 양자역학에 대해 알아보기 전에, 짚고 넘어가야 할 3가지 원리에 대해서 먼저 살펴보겠습니다.

 

2.1.1 Energy Quanta

오래전에 고전 역학으로는 설명할 수 없는 실험 결과를 발견하게 됩니다. 바로 광전 효과(photoelectric effect)라는 건데요.

그것은 단색광(monochromatic light)의 빛을 깨끗한 표면을 갖는 금속 위에 쬐었을 때, 특정한 조건에서 광전자(photoelectron)가 표면에서 방출되는 것을 의미합니다. 고전 역학에 따르면, 빛의 세기가 충분히 강하다면 빛의 진동수와는 무관하게 금속의 일함수(work function)를 극복하여 전자가 표면으로부터 방출되어야 합니다. 그러나 실험 결과는 그렇지 않았습니다. 실험 결과는 빛의 진동수와 관계를 갖는 양상을 보여주고 있었습니다. 아래 사진을 보겠습니다.

 

Figure 2.1 (b)를 보게 되면, 광자의 최대 운동에너지는 빛의 주파수에 따라 결정된다는 것을 확인할 수 있습니다.

만약, 주파수는 일정한 상태에서 빛의 세기만 증가하여 쬐어준다면 광자의 방출되는 비율은 변화할지라도 광자의 최대 운동에너지는 일정하게 유지됩니다.

 

그렇다면, Energy Quanta란 무엇일까요?

1900년대, 막스 플랑크는 열 표면(a heated surface)으로부터 방출되는 열 복사(thermal radiation)는 이산적인 에너지 값을 갖는다고 가정하였습니다. 이를 Quanta라 하였고, 양자를 의미하는 Quantum의 복수형입니다. 이러한 양자 에너지는 E=hv라는 유명한 공식에 의해 계산됩니다. 이때 h는 플랑크 상수를 의미합니다.

그 후 1905년, 아인슈타인은 광전효과의 결과를 '광파(light wave) 또한 이산적인 에너지를 가질 것이다'라고 해석했습니다. 그러한 에너지를 갖는 입자들은 광자(photon)라 불리며, 이 광자가 갖는 에너지 또한 E=hv로 계산될 수 있습니다.

 

즉, 정리해서 말씀드리면, 충분한 에너지를 갖는 광자(photon)는 금속의 표면의 전자를 때릴 수 있으며, 금속의 표면에서 전자를 떼어내는 데 필요한 최소 에너지를 일함수(work function)라고 합니다. 광자가 갖는 에너지에서 일함수만큼의 에너지를 제외한 여분의 에너지는 광전자(photoelectron)의 운동에너지로 전환되는 것입니다. 다시 Figure 2.1(a)를 보면 이해가 잘 가실 거라 생각합니다.

 

마지막으로 광전자(photoelectron)의 최대 운동 에너지에 대한 식을 첨부하며 글을 마치도록 하겠습니다.

 

 

 

 

감사합니다.