高校物理 光電効果 その１ 原理
【光電効果】
【高校物理】 光電効果とは？
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●光電効果とは？
これまで 光 は 波 として扱ってきましたね。
しかし、19世紀の後半、光を波として考えると、つじつまのあわないような実験結果が得られました。 光電効果 です。
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Ⅱ 原子核の奥へ より
光電効果とは何ですか
紫外線が金属の表面にあたると、その表面から電子が飛び出す。これは明らかに、紫外線に含まれるエネルギーの一部が電子に伝えられ、そのために電子が金属の束縛を解かれて飛び出せるようになったということだ。これを「光電効果」という。この効果そのものは、アインシュタインがこれについての論文を書いた1905年当時にはすでに知られていたが、その詳細については知られておらず、放出される電子の数とエネルギーが、入射する光の性質――とくに強度と振動数――とどう関わっているのかは、いまだ確定していなかった。アインシュタインは自分の考えた光量子仮説を用いて、それらの詳細を正確に予言し、その功績で――相対性理論ではなく――16年後にノーベル賞を受賞した。
古典物理学で考えれば、光の強度が高いほど電子のエネルギーが高くなり、また、どんな振動数の光でも、強度さえ十分なら電子を飛び出させるはずだと予想されるだろう。しかし実験をしてみると、このどちらの予想も正しくなかった。電子のネルギーは光の強度ではなく、光の振動数だけに依存しており、ある一定の振動数以下の光は、どんな強度であろうと電子をいっさい飛び出させなかったのである。
これらの光電効果に関する事実は、アインシュタインの光量子仮説で簡単に説明される。光の入射ビームを、一連の光子（ここでは現在での用語を用いる）の流れとしてイメージしてみよう。個々の光子のエネルギーは、プランクの式、E=hfによって求められる。この光子のエネルギーは、1個の電子にまるごと与えることはできるが、小さなかけらに分割されたり、粒子の減速とともに徐々に消失したりすることはない（光子は存在しているかぎり光速で移動するので、そもそも減速できない）。したがって電子は光子を吸収すると同時に、光子の全エネルギーを受け取る。電子はそのエネルギーの一部を使って金属表面の電場の障壁を乗り越える、そして残りは、脱出した電子の運動エネルギーとなる。
光の振動数がある一定の値を下回っていると、1個の電子に与えるエネルギーが、障壁を乗り越えるのに必要なエネルギーに達しないため、電子は束縛をふりきって逃げ出すことができない。その場合、光の強度がどれだけ高くても、個々の電子はどれも自由になるのに必要なエネルギーを得られないのだ。しかし光の振動数がその値を上回っていれば、光子は電子の脱出に必要なだけのエネルギーを与えることができる。どれだけの数の電子が放出されるかは光の強度によって決まるが、個々の電子のエネルギーは光の振動数のみによって決まるのである。
1916年、アメリカの物理学者ロバート・ミリカンが行なった測定により、光電効果に関するアインシュタインの予言はすべて申し分なく確認された。5年後、アインシュタインは「理論物理学への貢献、とくに光電効果の法則を発見した功績により」ノーベル賞を受賞した（ただし、この受賞理由には光の量子的性質についての言及がいっさい含まれていない）。その後の1923年、アインシュタインと並んでミリカンも、「電気素量、および光電効果についての研究により」ノーベル賞受賞者となった。
