자연계열 3번

(나) 아인슈타인은 빛을 입자로 생각하는 ‘광자’의 개념을 도입하여 광전효과를 설명하였고, 그 공로로 1921년 노벨 물리학상을 수상하였다. 광전효과란 특정 파장보다 짧은 파장의 빛을 금속에 비추었을 때 전자가 방출되는 현상을 말하며, 우리 주변에서도 이를 이용한 다양한 전자 기기들을 볼 수 있다. 예를 들어 디지털 카메라 내부에서 필름의 기능을 대신하는 전하결합소자(CCD)를 구성하고 있는 광센서는 광전효과를 통해 빛 신호를 전기 신호로 바꾸는 역할을 한다. CCD는 네모난 판처럼 되어 있고, 그 위에 광센서가 화소 수만큼 붙어 있다. 즉, 1000만 화소의 디지털 카메라에는 1000만 개의 광센서가 CCD에 붙어 있다. 각각의 광센서 앞에는 컬러 필터가 붙어 있는데, 빛의 삼원색인 빨강, 녹색, 파랑 필터이다. 빨강 필터는 빨간 색 빛만 통과시키고, 이 빛이 광센서에 도달한다. 광센서에서 감지된 빛 신호, 즉 광자들은 각각 전자를 방출하여 전기 신호를 발생시킨다. CCD에서는 광센서가 보낸 모든 전기 신호를 모아 사진 파일을 만든다. 그러나 광센서에 입사되는 광자가 모두 감지되는 것은 아니며, 감지되는 광자의 수는 광센서의 효율에 의해 결정된다. 즉, 광센서의 효율이 40%일 경우 광자 10개 중 4개가 감지되어 전기 신호로 전환됨을 의미한다.

(마) 빛의 입자인 광자는 진동수나 파장과 같은 파동의 특성도 지니고 있다. 또한 광자는 특정한 광학 매질을 통과할 때 그 진동수가 본래의 광자와 다른 두 개의 광자로 나뉘는 현상이 일정한 확률로 발생하는데, 이를 ‘자발적 광 변환’이라 부른다. ‘자발적 광 변환’이 일어나면 생성되는 광자들의 진동수($\displaystyle f _{1}$, $\displaystyle f _{2}$)와 초기 진동수($\displaystyle f _{0}$) 사이에는 에너지 보존법칙에 의해 다음의 관계가 성립한다.

$\displaystyle f_0=f_1+f_2$

‘자발적 광 변환’에 의해 아래 그림과 같이 광자 쌍이 생성되므로, 동시에 진행하는 한 쌍의 광자가 필요한 경우 유용하게 사용된다.