이 글은 SRI 시험 합격 당시 정리한 수기를 바탕으로 재구성했습니다. 학습 참고용 답안이며, 실제 채점자의 기준과 일치하는지는 확인되지 않았습니다.
1. 문제
광전효과로 방출되는 광전자의 운동에너지를 나타내고, 흡수단이 나타나는 이유를 설명하시오.
2. 모범답안
① 광전효과에서는 입사광자가 흡수되고 원자의 결합전자가 방출된다. 반동에너지를 무시하면 광전자의 운동에너지는 T = Eγ − Eb이다. Eb는 해당 전자껍질의 결합에너지이다.
② 특정 껍질에서 광전효과가 일어나려면 입사광자 에너지가 그 껍질의 결합에너지를 넘어야 한다. 그 아래에서도 결합에너지가 더 작은 다른 껍질과의 광전효과는 가능할 수 있다.
③ 입사광자 에너지가 증가하여 새 껍질의 광전자 방출이 가능해지는 문턱을 넘으면 광전흡수 단면적이 불연속적으로 증가한다. 이 급격한 변화가 흡수단이다.
④ 전자 빈자리가 채워지는 과정에서 특성 X선이나 오제전자가 발생할 수 있다. 광전자의 운동에너지 하나를 입사광자의 전체 에너지와 같다고 쓰지 않는다.
3. 문제를 풀기 위해 알아야 할 내용
3.1. 결합에너지를 빼서 계산한다
출처: OpenMC 공식 문서: Photoelectric Effect 식(23)
예를 들어 문제에서 입사광자 에너지를 100 keV, 해당 껍질의 결합에너지를 20 keV로 주면 광전자의 운동에너지는 80 keV이다. 이는 설명용 수치이며 특정 원소의 실제 껍질값을 뜻하지 않는다. 단위를 맞춘 뒤 빼는 것이 계산의 핵심이다.
3.2. 한 껍질의 문턱과 원자 전체의 흡수를 구별한다
K껍질의 결합에너지보다 낮다는 이유만으로 그 원자에서 광전효과가 전혀 일어나지 않는다고 단정하면 안 된다. 흡수단 주변에서는 매끄러운 한 개의 거듭제곱식만으로 확률을 연결하기 어렵다. NIST XCOM도 각 흡수단 바로 위·아래의 에너지점을 따로 포함한다.
3.3. 광전자 방출 뒤의 원자 이완을 구분한다
출처: OpenMC 공식 문서: Photoelectric Effect 및 Atomic Relaxation
광전효과는 광자가 흡수되는 단계이고, 특성 X선·오제전자 방출은 남은 전자 빈자리의 이완 과정이다. 답안에는 “광자 흡수 → 광전자 방출 → 원자 이완” 순서로 쓰면 에너지의 이동을 정리하기 쉽다. 광전흡수 확률의 원자번호·에너지 의존성은 구간에 따른 근사이지 모든 에너지에 적용하는 하나의 정확한 지수법칙은 아니다.
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