현대물리학 교재의 광전효과 단원에 나타난 광자모델: 빛의 세기와 광전류를 중심으로

Abstract

이 연구는 현대물리학 교재의 광전효과 단원을 분석함으로써 예비 교사가 배우는 광전효과 단원에서의 광자모델이 교재에서 어떻게 표현되는지를 분석한 연구이다. 빛의 세기에 대한 조작적인 정의는 대체로 두 가지로 구분된다. 구체적으로 단위시간 단위면적 당 전달하는 에너지로 빛의 세기를 나타내는 것과 단위시간 단위면적당 광자의 수로 정의하는 방법이 있다. 광자 1개의 에너지는 진동수가 인 빛의 경우 이다. 빛의 세기를 양자적인 견지에서 다시 정의하였을 때 두 표현은 만큼 차이가 나게 된다. 연구는 크게 두 부분으로 나뉜다. 첫 번째 연구는 빛의 세기 표현이 광자모델로 나타냈을 때 현대물리학 교재마다 어떻게 표현되는지 분석하였다. 두 번째 연구는 빛의 세기와 포화 광전류의 관계를 현대물리학 교재의 광자-전자의 전환효율을 고려하는지의 여부를 통해 분석하였다. 또한, 이로부터 교재의 그래프가 어떻게 설명될 수 있는지 교재에서의 빛의 세기의 표현과 관련하여 분석하였다. 연구결과 빛의 세기에 관한 표현은 교재마다 다르게 나타났으며 심지어 한 교재 내에서도 상이한 빛의 세기의 표현이 나타나기도 하였다. 이는 현대물리학 교재의 광전효과 단원에서 빛의 세기를 양자적인 견지로 표현할 때 표준적인 관점을 가지고 있지 않음을 의미한다. 또한 빛의 세기가 같을 때 포화 광전류에 대한 설명이 있는 교재에서 광자-전자 전환 효율에 관한 내용에 따라서 관련 설명을 이해하려고 할 때, 학습자에게 어려움이 발생할 수 있음을 확인하였다. 특히 현대물리학 교재에서는 통상적으로 포화광전류와 빛의 세기와의 관계에서 광자-전자 전환효율(양자효율)을 고려하지 않고 있는데 이는 학습자가 빛의 세기를 단위면적 당 입사하는 에너지 일률로 생각하고 있을 경우 포화광전류를 설명하려고 할 때 실험결과와 예상이 일치하지 않게 된다. 이러한 학습자에게 빛의 세기를 둘로 정의해야할 수 있는 통찰의 경험을 제공하지 않는다면, 학습자는 광전류에서의 빛의 세기는 에너지가 아니라 단위면적 당 입사하는 광자 선속이라는 내용을 수동적으로 암기하게 될 가능성이 있다. 이 연구의 결과는 중등교육과정에서 광전효과의 범위와 내용을 결정할 때 참고가 될 수 있으며, 현대물리학 강의와 교재 개발에도 도움을 줄 수 있을 것이다.