光電効果：定義、方程式、実験

物理学者がこれまでにない小さな領域を探索し、量子効果を発見したとき、古典物理学で学んだことはすべて頭に浮かびました。 これらの最初の発見の中には、光電効果がありました。 1900年代初頭、この効果の結果は古典的な予測と一致せず、量子論でしか説明できず、物理学者にまったく新しい世界を開いた。

今日、光電効果には多くの実用的な用途もあります。 医用画像からクリーンエネルギーの生成まで、この効果の発見と応用は、単に科学を理解することをはるかに超えた意味を持っています。

光または電磁放射が金属表面などの材料に当たると、その材料は電子を放出することがあります。光電子. これは本質的に、材料内の原子が放射線をエネルギーとして吸収しているためです。 原子内の電子は、より高いエネルギーレベルにジャンプすることによって放射線を吸収します。 吸収されたエネルギーが十分に高い場合、電子は完全にホーム原子を離れます。

このプロセスは、「光電子放出入射光子（光の粒子の別名）が電子の放出の直接の原因であるためです。 電子は負の電荷を持っているため、電子が放出された金属板はイオン化されたままになります。

しかし、光電効果で最も特別だったのは、それが古典的な予測に従わなかったことです。 電子が放出された方法、放出された数、そしてこれが光の強さによってどのように変化したかは、すべての科学者が最初に頭をかいていた。

古典物理学から作られた光電効果の結果に関する当初の予測には、次のものが含まれていました。

1. エネルギーは入射放射線から電子に移動します。 材料に入射するエネルギーは、波長に関係なく、原子内の電子によって直接吸収されると想定されていました。 これは、古典力学のパラダイムでは理にかなっています。バケツに注ぐものは何でも、その量だけバケツを満たします。
2. 光強度の変化は、電子の運動エネルギーの変化をもたらすはずです。 電子がそれらに入射する放射線を吸収していると仮定すると、同じ放射線が多くなると、それに応じてより多くのエネルギーが電子に与えられるはずです。 電子が原子の境界を離れると、そのエネルギーは運動エネルギーの形で見られます。
3. 非常に低強度の光は、光の吸収と電子の放出の間にタイムラグを生じさせるはずです。 これは、電子がホーム原子を離れるのに十分なエネルギーを獲得する必要があると想定されていたためです。低強度の光は、エネルギーの「バケツ」にゆっくりとエネルギーを追加するようなものです。 満たすのに時間がかかるため、電子が放出されるのに十分なエネルギーを得るまでに時間がかかるはずです。
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実際の結果は、予測とまったく一致していませんでした。 これには次のものが含まれます。

1. 電子は、入射光がしきい値周波数に到達または超えたときにのみ放出されました。 その周波数以下では放射は発生しませんでした。 強度が高いか低いかは関係ありませんでした。 何らかの理由で、光自体の周波数または波長がはるかに重要でした。
2. 強度の変化は、電子の運動エネルギーの変化をもたらさなかった。 それらは放出された電子の数だけを変えました。 しきい値周波数に達すると、強度を上げても、放出された各電子にエネルギーがまったく追加されませんでした。 代わりに、それらはすべて同じ運動エネルギーで終わった。 それらはもっとたくさんありました。
3. 低強度ではタイムラグはありませんでした。 与えられた電子の「エネルギーバケツを満たす」のに必要な時間はないようでした。 電子が放出された場合、それはすぐに放出されました。 より低い強度は、運動エネルギーまたは遅延時間に影響を与えませんでした。 それは単に放出される電子が少なくなるという結果になりました。

この現象を説明する唯一の方法は、量子力学を呼び出すことでした。 光のビームを波としてではなく、光子と呼ばれる離散的な波束の集まりと考えてください。 波動粒子の二重性によって説明されるように、光子はすべて、光の周波数と波長に対応する明確なエネルギー値を持っています。

さらに、電子は離散的なエネルギー状態間でのみジャンプできることを考慮してください。 それらは特定のエネルギー値のみを持つことができますが、その間の値を持つことはできません。 ここで、観察された現象は次のように説明できます。

1. 電子は、非常に特定の十分なエネルギー値を吸収した場合にのみ放出されます。 適切なエネルギーパケット（光子エネルギー）を取得した電子はすべて放出されます。 個々に十分な大きさのエネルギーパケットがないため、強度に関係なく入射光の周波数が低すぎる場合は、何も放出されません。
2. しきい値周波数を超えると、強度を上げると電子の数だけが増えます 放出された各電子は1つの離散的なものを吸収するため、放出され、電子自体のエネルギーではありません。 光子。 より大きな強度は、より多くの光子、したがってより多くの光電子を意味します。
3. 電子が適切なエネルギーパケットを取得するとすぐに放出されるため、周波数が十分に高い限り、低強度でも時間遅延はありません。 強度が低いと、電子が少なくなります。

光電効果に関連する重要な概念の1つは、仕事関数です。 電子結合エネルギーとも呼ばれ、固体から電子を取り除くために必要な最小エネルギーです。

仕事関数の式は次の式で与えられます。

どこ-e電子の電荷です、ϕは表面近くの真空中の静電ポテンシャルであり、Eは材料中の電子のフェルミ準位です。

静電ポテンシャルはボルトで測定され、単位電荷あたりの電位エネルギーの尺度です。 したがって、式の最初の項は、-eϕは、材料の表面近くの電子のポテンシャルエネルギーです。

フェルミ準位は、原子が基底状態にあるときの最も外側の電子のエネルギーと考えることができます。

仕事関数と密接に関連しているのは、しきい値周波数です。 これは、入射光子が電子の放出を引き起こす最小周波数です。 周波数はエネルギーに直接関係しているため（周波数が高いほどエネルギーが高くなります）、最小周波数に到達する必要があるのはなぜですか。

しきい値周波数を超えると、電子の運動エネルギーは周波数に依存し、光の強度には依存しません。 基本的に、単一光子のエネルギーは完全に単一電子に伝達されます。 そのエネルギーの一定量は電子を放出するために使用され、残りはその運動エネルギーです。 繰り返しますが、強度が大きいということは、放出される電子が増えるということではなく、放出される電子が増えるということです。

放出された電子の最大運動エネルギーは、次の式で求めることができます。

どこK_最大光電子の最大運動エネルギーです。hプランク定数= 6.62607004×10^-34 m²kg / s、f光の周波数であり、f₀はしきい値周波数です。

光電効果の発見は、2段階で起こっていると考えることができます。 第一に、入射光の結果としての特定の材料からの光電子の放出の発見、そして第二に、決定 この効果は古典物理学にまったく従わないこと、それが量子の理解の多くの重要な基盤につながったこと 力学。

ハインリヒヘルツは、1887年にスパークギャップジェネレーターで実験を行っているときに最初に光電効果を観察しました。 セットアップには、2対の金属球が含まれていました。 球の最初のセット間で生成された火花は、火花を2番目のセット間でジャンプさせ、トランスデューサーとレシーバーとして機能します。 ヘルツは、セットアップに光を当てることで、セットアップの感度を上げることができました。 数年後、J.J。 トンプソンは、感度の向上は、光が電子を放出させることに起因することを発見しました。

ヘルツのアシスタントであるフィリップ・レーナルトは、強度が光電子の運動エネルギーに影響を与えないと判断しましたが、しきい値周波数を発見したのはロバートミリカンでした。 その後、アインシュタインはエネルギーの量子化を仮定することによって奇妙な現象を説明することができました。

アルバート・アインシュタインは、光電の法則を発見したことで、1921年にノーベル賞を受賞しました。 効果、そしてミリカンは光電の理解に関連する仕事のためにも1923年にノーベル賞を受賞しました 効果。

光電効果には多くの用途があります。 それらの1つは、科学者が入射光が放出を引き起こすしきい値周波数を決定することにより、物質の電子エネルギーレベルを精査できることです。 この効果を利用した光電子増倍管は、古いテレビカメラでも使用されていました。

光電効果の非常に有用な用途は、ソーラーパネルの構築です。 ソーラーパネルは、太陽放射によって金属から放出された電子を利用して電流を生成する太陽電池のアレイです。 2018年の時点で、世界のエネルギーの3％近くがソーラーパネルによって生成されていますが、この数は 特にそのようなパネルの効率として、今後数年間で大幅に成長すると予想されます 増加します。

しかし、何よりも重要なのは、光電効果の発見と理解が、量子力学の分野の基礎を築き、光の性質をよりよく理解することです。

光電効果を実証するために、物理学の入門ラボで実行できる多くの実験があります。 これらのいくつかは他のものより複雑です。

簡単な実験で、検電器と紫外線を提供するUV-Cランプを使用した光電効果を示します。 針がたわむように検電器に負電荷を置きます。 次に、UV-Cランプを点灯します。 ランプからの光は検電器から電子を放出し、それを放電します。 これは、針のたわみが減少するのを見るとわかります。 ただし、正に帯電した検電器で同じ実験を試みた場合、それは機能しないことに注意してください。

光電効果を実験する方法は他にもたくさんあります。 いくつかのセットアップには、大きなアノードで構成されるフォトセルが含まれます。このフォトセルは、入射光が当たると、カソードによってピックアップされた電子を放出します。 たとえば、この設定が電圧計に接続されている場合、光を当てると電圧が発生すると、光電効果が明らかになります。

より複雑な設定により、より正確な測定が可能になり、さまざまな材料の仕事関数としきい値周波数を決定することもできます。 リンクについては、「リソース」セクションを参照してください。