빛을 쬐면 왜 전자가 튀어나올까

금속 표면에 빛을 쬐면 전자가 튀어나옵니다. 이것을 광전효과라고 합니다. 전자가 금속에서 빠져나오려면 일정한 에너지가 필요하니, 빛에서 에너지를 받아 탈출한다는 것까지는 이상할 것이 없습니다.

이상한 것은 실험의 세부였습니다. 빛이 파동이라면 «세게 오래 쬐면» 에너지가 차곡차곡 쌓여 결국 전자가 나와야 합니다. 그런데 실제로는 진동수가 낮은 빛(예: 빨간빛)은 아무리 세게, 아무리 오래 쬐어도 전자가 하나도 나오지 않았습니다. 반대로 진동수가 높은 빛(예: 보랏빛)은 아주 약하게 쬐어도 즉시 전자가 나왔습니다. 금속마다 «이 진동수 아래로는 안 나온다»는 문턱이 있었고, 이를 문턱진동수라고 합니다.

1905년 아인슈타인이 설명을 내놓았습니다. 빛은 연속적인 파동이 아니라 에너지 덩어리(광자)의 흐름이고, 덩어리 하나의 에너지는 진동수에 비례한다는 것입니다. 전자 하나는 광자 하나와 부딪혀 그 에너지를 통째로 받습니다. 빛을 세게 한다는 것은 «덩어리 하나를 크게»가 아니라 «덩어리 개수를 늘리는» 일입니다.

이렇게 보면 모든 것이 풀립니다. 덩어리 하나가 탈출에 필요한 에너지(일함수)보다 작으면, 그런 덩어리가 아무리 많이 쏟아져도 전자는 못 나옵니다. 작은 동전을 아무리 많이 모아도 한 번에 한 개씩만 쓸 수 있다면 비싼 물건을 못 사는 것과 같습니다. 반대로 덩어리 하나가 문턱을 넘으면 즉시 탈출하고, 남은 에너지는 전자의 운동에너지가 됩니다.

이 설명으로 아인슈타인은 1921년 노벨 물리학상을 받았습니다. 흔히 상대성이론으로 받았다고 오해하지만, 수상 사유는 광전효과 법칙의 발견이었습니다.