어떤 고체에 빛을 쏘면 전류가 흐릅니다. 태양 전지의 작동 원리이기도 하죠. 전자레인지에 알루미늄 포일 조각을 넣고 돌리면 불꽃이 일면서 '펑' 소리가 납니다. 이 모든 현상은 광전 효과입니다. 광전 효과는 19세기부터 많은 과학자가 꾸준히 관찰하고 탐구했습니다. 이 현상을 ‘광자'란 개념으로 처음 설명한 인물은 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)입니다. 현대 물리학에 중요한 단서를 제공한 공로로 노벨물리학상을 받았죠. 아인슈타인의 발견이 놀라운 이유를 알아볼까요? 고체는 원자가 모여 만들어집니다. 원자는 양성자와 중성자가 뭉쳐 만들어진 원자핵 주변에 전자가 분포된 형태입니다. 고체가 만들어지면 원자핵은 그 자리에 가만히 있고 거의 움직이지 못합니다. 대신 전자는 고체 속을 이리저리 움직일 수 있고 그 덕분에 전기가 통하는 금속 물질도 생깁니다. 19세기 과학자들은 원자 내부 구조를 전혀 몰랐지만, 빛을 고체에 쏘면 어떤 일이 생길까 꾸준히 탐구했습니다. 아크램프라는 장치를 사용해 눈에는 보이지 않는 자외선도 고체에 쏘아 실험했죠. 전기를 띠는 금속 조각 두 개를 가까이 두면 서로 밀어냅니다. 전자가 금속 표면에 쌓이면서 서로 다른 금속에 있는 전자끼리 밀어내기 때문이죠. 여기에 빛을 쏘면 전자가 금속 표면에서 공기 중으로 날아갑니다. 전자를 잃어버린 금속 조각은 미는 걸 멈추고 다시 붙습니다. 1902년 필리프 레나르트(Philipp Lenard, 1862~1947)는 금속에 쏘는 빛의 파장이 너무 크면 광전 효과가 일어나지 않는다는 사실을 발견합니다. 또, 어떤 임곗값보다 작은 파장의 빛을 쏘았을 때만 광전 효과가 일어난다는 중요한 사실을 알아냈습니다. 전자를 고체 밖으로 떼어내려면 많은 에너지가 필요할 것입니다. 이는 파장이 긴 전자기파는 에너지가 부족하고, 파장이 짧은 전자기파는 충분한 에너지를 전자에 제공해서 고체 밖으로 탈출할 수 있다는 의미였죠. 레나르트의 발견을 제대로 이해한 사람은 바로 아인슈타인이었습니다. 1905년은 물리학계에서 ‘기적의 해'라고 부릅니다. 아인슈타인이 네 편의 논문을 연달아 발표하면서 물리학의 흐름을 완전히 바꿔버렸기 때문이죠. 네 편 중 처음 발표한 논문은 광전 효과를 다룹니다. 아인슈타인은 빛을 마치 하나의 입자라고 생각했습니다. 즉 빛이 알갱이처럼 거동하며 그 알갱이의 에너지는 플랑크 상숫값(${h}$)과 빛의 진동수(${f}$)를 곱한 값이라고 추측했습니다. 식으로 쓰면 ${E=hf}$가 됩니다. 진동수(${f}$)는 빛이 1초에 몇 번이나 떨리는가 알려주는 숫자입니다. 예를 들어 가시광선은 대략 1초에 5 × 10¹⁴번이나 떨립니다. 플랑크 상수는 1900년 막스 플랑크(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858~1947)가 흑체 복사 이론을 만들 때 도입한 숫자죠. 이 두 숫자를 곱한 값이 가령 10이라고 합시다. 빛이 전자를 만나면 이 10이란 에너지를 전달합니다. 전자는 빛으로부터 얻은 에너지를 이용해 고체로부터 탈출하려고 합니다. 고체 속 전자는 ‘갇힌' 전자입니다. 탈출하려면 일정한 비용, 즉 에너지를 지급해야 합니다. 만약 탈출하는 데 필요한 에너지가 11이면 10이란 에너지를 빛으로부터 받아도 탈출할 수가 없습니다. 주머니에 돈이 9,900원뿐이라면 입장료가 10,000원인 놀이공원에 들어가지 못하는 것과 비슷한 원리입니다. 만약 에너지 12짜리 빛이 전자와 만나면 어떻게 될까요? 전자는 11이란 에너지는 탈출하는 데 쓰고 나머지 1은 고체 밖에서 운동하는 데 필요한 운동 에너지로 사용합니다. 아인슈타인은 이렇게 광자란 개념을 도입해 오랫동안 고민해 왔던 광전 효과 문제를 해결합니다. 광자(영어로 photon)는 빛을 의미하는 photo라는 접두사에 입자를 지칭하는 접미사 on을 결합해 만든 단어입니다. 아인슈타인이 광자 개념을 만들긴 했지만 실제로 광자란 이름을 붙인 건 1926년 미국의 화학자 길버트 루이스(Gilbert N. Lewis, 1875~1946)였죠. 오랫동안 파동의 일종으로 취급했던 빛이 입자처럼 거동한다는 관점은 양자 역학에서 매우 보편적인 시각이 됐습니다. 이제 물리학자들은 광자를 전자나 쿼크 같은 기본입자로 생각합니다. 19세기부터 시작된 광전 효과에 관한 꾸준한 탐구가 일궈낸 대단한 성과입니다. 광전 효과는 여전히 중요하고 흥미로운 연구 분야입니다. 전 세계 과학자들이 광전 효과를 활용해, 보다 효율 높은 태양전지를 만들기 위해 노력하고 있습니다.