E.2 · 양자 물리학

이 핸드아웃은 2025년 최초 평가 과정에서 다뤄지는 HL 과목 중 선별된 주제들을 포함하며, 전체 커리큘럼은 아닙니다.

선행 학습: 명시된 양과 단위를 읽고, 산술 및 아래 모델 조건을 사용하십시오.

예제들은 원작이며 가상의 것입니다: 실제 측정값이나 실제 학생 조사 결과가 아닙니다.

이 관측을 설명할 수 있는 것은 무엇인가?

• 밝고 저주파 빛은 전자를 방출하지 못하지만 어둡고 높은 주파수의 빛은 성공할 수 있습니다. 광자 에너지는 강도가 아닌 주파수에 따라 결정됩니다.

모델을 구축하시오

• 광자는 에너지가 진동수에 비례합니다.
• 일함수는 표면에서 전자 방출에 필요한 최소 에너지를 말합니다.
• 임계값을 초과하면 추가 광자 에너지가 전자의 운동에너지가 될 수 있습니다.
• 광자: 전자기파의 양자(단위)입니다.
• 일함수: 전자를 방출하기 위해 필요한 최소 표면 에너지입니다.

*Ek(max) = hf − φ: 2.0 eV(일함수) 이하에서는 방출 없음

이를 검증할 수 있는 증거를 선택하시오

• 광자 에너지 = 플랑크 상수 × 진동수를 사용하십시오.
• 최대 운동에너지 = 광자 에너지 - 일함수입니다.
• 고정된 진동수에서 강도를 증가시키면 개별 광자 에너지가 아닌 광자 도달 빈도가 증가합니다.

실험실: 정지 전위 또는 운동에너지 그래프의 축을 주의 깊게 읽으십시오. 에너지 절편으로 임계 진동수를 식별하십시오. 일함수는 물질에 따라 다르므로 금속과 실험 조건을 명시하십시오.

알려진 양으로부터 시작하시오

• 주어진 값: 광자 에너지는 5.0 eV이고 일함수는 2.0 eV입니다.
• 최대 운동에너지 = 광자 에너지 - 일함수 = 5.0 - 2.0 = 3.0 eV입니다.
• 이 모델에서 1.5 eV 광자는 해당 표면에서 방출을 일으킬 수 없습니다.

당신의 차례: 광자 에너지는 4.8 eV이고 일함수는 2.1 eV입니다. 최대 운동에너지를 구하십시오.

결론과 그 한계를 확인하시오

• 기본 단일 광자 모델에서 전자는 임계값 이하의 여러 광자를 축적하지 않습니다.
• 광자 수와 광자 에너지를 혼동하지 마십시오.

거짓됨: 동일한 진동수에서 빛의 강도를 두 배로 늘려도 개별 광자 에너지는 두 배가 아닙니다. 강도는 초당 도달하는 광자 수이며, 광자 에너지는 진동수만으로 결정됩니다(E = hf). 강도를 두 배로 늘리면 각 전자의 에너지가 아닌 전자 수가 두 배가 됩니다—이것은 광전 효과 방정식이 정확히 보여주는 바입니다.

핵심:

• 광자는 에너지가 진동수에 비례합니다.
• 광자 에너지 = 플랑크 상수 × 진동수를 사용하십시오.
• 주의: 기본 단일 광자 모델에서 전자는 임계값 이하의 여러 광자를 축적하지 않습니다.

최대 운동에너지 3.6 electronvolts로부터 작성

• 광자의 에너지는 6.0 전자볼트이며, 일함수는 2.4 전자볼트입니다.
• 최대 운동 에너지를 구하시오. 강도를 두 배로 늘려도 각 광자의 에너지가 두 배가 되지는 않습니다.

임계값 판독으로부터 작성

• 일함수 2.0 eV; 입사 광자의 에너지 3.0 eV.
• 최대 전자 에너지 = 3.0 − 2.0 = 1.0 eV = 1.6 × 10⁻¹⁹ J — 임계값 이하에서는 강도가 도움이 되지 않으며, 초과 시 강도는 전류를 결정하고 주파수는 에너지를 결정함.

정지 전압으로부터 작성

• 가장 빠른 전자들이 정확히 1.5 V로 정지됨.
• Their maximum kinetic energy is 1.5 eV — the stopping voltage measures electron energy directly, one volt per electronvolt.