아인슈타인의 노벨상

독일의 물리학자 필리프 레나르트는 유리관 안에 두 금속판을 서로 분리되게 하고, 유리관 밖에는 도선과 전류계로 두 금속판을 연결하는 회로를 만들었다. 레나르트는 밝기와 진동수가 다른 여러 가지 종류의 빛을 첫 번째 금속판에 쪼이고, 두 번째 금속판에는 빛을 쪼이지 않았다. 이 실험에서 첫 번째 금속판에서 떨어져 나온 전자는 사방으로 날아다니다 두 번째 금속판을 때리면서 회로에 전류가 흐르기 시작했다. 이러한 현상을 광전효과라고 한다.

  레나르트는 희미한 빛을 사용할 때보다 밝은 빛을 쪼일 때 더 많은 전자가 방출된다는 사실을 발견했다. 그러나 빛의 세기를 조절해도 방출되는 전자의 속도에는 별 영향을 미치지 않았다. 레나르트는 반대 방향으로 약한 전압을 걸어 전자를 멈추게 하면서 전자의 에너지를 측정하였는데, 밝은 빛을 쪼일 때나 희미한 빛을 쪼일 때나 방출된 전자의 에너지는 항상 같다는 것을 발견하였다. 이는 예상하지 못한 결과였는데, 왜냐하면 더 많은 에너지를 지닌 밝은 빛이 입사되면 전자의 속도도 더 빨라질 것이라 생각했기 때문이었다.

  미국의 물리학자 밀리컨은 레나르트의 실험 결과에 흥미를 느꼈다. 그는 여러 색깔의 빛으로 실험을 하면서 빨간색 빛은 광도가 아무리 강해도 전자를 전혀 방출시키지 못한다는 사실을 알게 되었다. 반면에 자외선과 파란색 빛은 전자를 잘 방출시켰다. 금속의 종류에 따라 차단 진동수가 다른데, 차단 진동수보다 낮은 에너지의 빛은 아무리 세게 쪼여도 전자가 방출되지 않았다. 이러한 문턱값 이상에서 방출되는 전자의 에너지는 빛의 진동수에 비례했다. 

  이러한 현상은 놀라운 결과로 당시 견해에 따르면 빛의 파동은 이와 반대로 작용해야 했다. 금속 표면에 쪼여진 전자기파는 전자를 서서히 달구어 빛 세기가 세면 박탈되는 전자의 개수도 많아지고 전자의 에너지도 더 커져야 한다. 그리고 진동수는 크게 영향을 미치지 못해야 한다. 그러나 실제로는 작고 빠른 파동은 전자를 잘 방출시켰지만 느린 파동은 아무리 커도 전자를 움직이게 할 수 없었다. 

  다른 문제는 전자가 너무 빨리 방출되는 것이었다. 빛의 에너지를 충분히 흡수하려면 시간이 걸릴 것이라 생각했는데, 전자는 즉시 방출되는 것이었다. 

  이 문제를 해결하기 위하여 알버트 아인슈타인은 빛이 작은 에너지 묶음의 형태로 존재하는 것이라고 주장했다. 아인슈타인은 금속의 전자를 방출시킨 것은 낱알로 이루어진 빛의 알갱이라고 생각했다. 빛의 알갱이는 비록 질량은 없지만, 진동수에 비례하는 에너지를 가지고 있다. 따라서 파란색 빛알과 자외선 빛알은 빨간색 빛알보다 힘이 더 센 것이다. 이 가설로 방출된 전자의 에너지가 빛의 밝기가 아닌 진동수에 비례하는 이유도 설명이 가능해졌다. 

  빨간색 빛알은 에너지가 충분하지 않아 전자를 방출시키지 못한다. 그러나 파란색의 빛알이 가진 힘은 전자를 방출시키기에 충분하다. 더 큰 에너지를 지닌 자외선 빛알을 맞은 전자는 속도가 더 빠르다. 빛의 밝기는 아무 상관이 없었다. 또한 전자의 방출이 빨리 일어나는 현상도 설명할 수 있었다. 전자를 방출하는 데에는 빛의 속도로 움직이는 빛알 하나면 충분한 것이다.

 

  이로 인해 광전효과에 대한 레나르트의 실험적 결과가 완전히 이해될 수 있었다. 아인슈타인은 이 광전효과에 대한 이론으로 1921년 노벨 물리학상을 수상하게 된다.