[물리실험] 광전효과를 이용한 Planck 상수 측정 실험

소개글

[물리실험] 광전효과를 이용한 Planck 상수 측정 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험목적

2. 실험원리

3. 실험장치

4. 실험방법

5. 측정값 및 분석

6. 결론 및 검토

본문내용

해 50%내외의 오차가 발생하였다 어떻게 이런 결과가 나오게 되었을까?
우선 일함수를 보면 일함수는 우리가 측정한 저지전압과 알고있는 빛의 진동수값을 가지고 그래프를 그렸을때 y절편이 일함수이다. 실제 알고 있는 칼륨의 일함순ㄴ 2.2eV라고 알고있다. (일함수는 물질의 고유한 특성이므로 바뀔수 없다.) 그러나 우리가 측정한 값은 1/4수준이다. 사실 이번실험이 칼륨의 일함수를 측정하는 것은 아니다. 이 결과는 우리가 저지전압을 잘못 측정했기 때문에 나오는 결과이다. 진동수가 높은 빛으로 갈수록 저지전압을 측정했을때 상승하는 폭이 우리가 측정했던값보다 높아야 실제 일함수에 근전한 결과가 나왔을것이다. 상승폭이 높다는것은 기울기(즉, 플랑크상수)가 지금 그래프 보다 더 높아야 실제 일함수값과 근접하게 결과가 나올것이다.
실제 플랑크상수값과 측정한 값을 비교해 보면 우리가 측정한 값은 2/3 정도 수준이다. 바로 이 플랑크 상수값(기울기)만 실제값에 근사하게 나오면 칼륨의 일함수와 한계진동수도 실제 값에 근접했을 것이다.(실제 칼륨의 한계 진동수는 칼륨의 일함수의 크기에다가 플랑크 상수값을 나눠서 그 결과를 얻었다.)
그리고 칼륨의 실제 한계진동수를 보면 노랑색의 진동수보다 더 크다. 따라서 우리가 노랑색의 파장으로 실험 했을때에는 저지전압이 측정될수 없는 것이다.
6. 결론 및 검토
① 이번실험이 첫실험이었다. 첫실험인만큼 매뉴얼을 열심히 정독하고 실험에 대한 준비를 열심히 해갔다. 그러나 실험기구 앞에 앉았을때 우리조원들은 모두들 당황하고 있었다. 매뉴얼과 이론적으로 공부했던 실험기구와 실제 실험에 사용되는 기구는 완전 틀렸다. 열심히 이론으로 공부했던 바로 그 내용, 그림 들이 정장 실험 기구속에 우리가 볼수 없는 곳에 숨어 있었다. 처음에는 무지하게 당황하고 고민했지만 나중에 실험이 진행되고 실험기구의 사용법을 모두 깨우쳤을때는 오히려 그것이 실험기구속에 내장되어 있는것이 아주 유용하다는것을 알수 있었다.(외적인 요인을 최대한 적게 받게 만들어진 실험기구였다)
가장 구석진곳에 비치되어있는 amplifier라는 기계는 처음부터 실험자들을 당황시켰다. 조절하는 건 많은데 도대체 뭐가 뭔지 알수가 없다는 것이다. 그러다가 매뉴얼을 후벼판결과 일정한 값들로 맞춰놓고 시작하는 거라는 것을 알수 있었다.
② 실험기구와 매뉴얼을 열심히 들여다보다가 첫 번째 오차의 원인을 발견하게 되었다. 그건 바로, 실험실에 켜져있는 형광등... 그것도 빛이기 때문에 한번에 일정한 빛이 들어가지 않는 점도 문제가 될 수있겠다고 생각했다. 이 사실을 알고 난뒤 우리는 문도 닫고 형광등도 끄고 두 실험기구를 딱 붙여서 전혀 외부의 빛이 들어오지 못하게 하고 실험을 했다.
③매뉴얼을 읽어보던중, 우리가 중요한 점을 빠뜨렸다는 걸 알았다. 그리고 수은등을 칼륨판에 비추고 있지 않을때 저지전압이 서서히 떨어지는 것을 발견하였다. 바로 방전에 관한것이다. 이것 역시 오차의 원인이 충분히 될 수 있다. 그러나 이 사실을 알았음에도 우리는 방전을 어떻게 시키는줄 몰라서, 제대로된 방전은 하지 못했다. amplifier에 있는 버튼을 열심히 눌러보기도 했고 선을 뽑아보기도 하고, 수은등을 한번 꺼보기도 하고 여러 가지 방법을 취해봤지만, 완벽하게 전류가 0이 되게는 하지 못했다.
④오차의 원인이라고 말하기는 좀 애매하지만, 우연히 수은등의 빛이 일정하게 나오지 않는 순간을 포착했었다.
⑤그리고 실험장비 주위에 다양한 도구들이 있었다는 것을 깨닫게 되었다. 빛을 모아주는 기구, 어느 정도 차단해주는 기구가 있었다. 정확한 사용법이 나와있지도 않았고 빛을 모아서 빛의 세기를 증가시켜도 정확한 빛의 세기를 알수가 없고(두종류의 렌즈가 있었다. 그러나 이렌즈의 스팩은 적혀있지않았다.) 이번실험의 목적인 플랑크 상수 측정과는 빛의 세기에 따른 변화가 필요하지 않다고 판단하고 사용하지 않았다.
⑥마지막으로 실험을 마무리 지으면서, 바로 광전효과의 핵심요소가 밀집되어있는 기구 측면에 하나의 회로같은 그림이 그려져있음을 보게 되었다.
K라는 글자와 알수없는 모양의 회로도였다. 여기서 'K'는 칼륨판을 뜻한다. 그리고 K라고 쓰여진 선왼쪽에 삼각형 모양으로 불쑥 튀어나온 거는 거기서 전자가 나온다는 것을 뜻하는 듯 싶다. 그런데 반원 테두리와 검은 점이 나란히 있는 이 기호는 무엇을 뜻하는 것일까? 생각을 해봤는데 역전압을 걸어준다 뭐 이런 의미의 기호일거라고 나름대로 결론을 내렸다.
⑦실험을 마치고 다른 학교사람들이 실험한 데이터 찾아보았다. 그런데 그 사람들도 플랑크 상수 값이 우리와 거의 비슷하게 나왔었다. 그걸 보면서, 우리의 실험결과가 그리 나쁘지만은 않다는 생각을 했다. 우리가 실험실에서 실험했을때 얻을수 있는 최상의 값이 이 정도가 아닐까 하는 생각이 들었다.
#실험목적 이외의 새로운 사실..
금속의 일함수값을 보면 나트륨이 2.27(eV), 마그네슘이 3.46(eV), 알루미늄이 3.74(eV), 철이 4.36(eV).......
뭔가 규칙이 있어보인다. 중.고등학교때 열심히 외웠던 금속의 반응성세기순서...(칼카나마 알아철리주납.....) 바로 그 순서대로 일함수 값이 커지고 있는 것이다. 실험목적에서 한걸음 더 나아가 새로운 사실을 알수 있게 되었다. 반응성의 세기가 큰 금속일수록 일함수 값이 작고, 그러니까 작은 진동수의 빛에도 광자를 더 잘 내놓을수 있다는 말이 된다. 더불어 우리가 사용한 금속인 칼륨은 나트륨보다 더 낮은 일함수를 가지므로 노랑색과 초록색 사이 가시광선 이상의 진동수를 가진 빛을 쏘아주면 언제든지 전자들이 튀어 나올수 있다는 것을 알수 있었다. (실재로는 이렇지만, 우리가 순수 측정한 값만으로 그 범위를 알아보면, 더 낮은 진동수의 빛에서도 반응한다는 결과가 나오게 된다.) 개인적으로 현대물리시간에 배웠던 광전효과가 플랑크 상수를 측정하는데에 사용된다는 점을(일함수을 값을 알지 않고도) 알게된 것도 나에겐 새로운 사실이었다.
그리고 1학기 실험에 비해서 좀더 스팩타클하고 다이나믹한 현대물리의 세계를 몸소 느낄수 있을거같은 예감이 많이 든다. 2학기실험 많은 기대가 된다!

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