光電効果と光子 · PhotonLab

光電効果

金属の表面に光を当てると、金属の中の電子が表面から飛び出すことがあります。この現象を光電効果、飛び出した電子を光電子といいます。1887 年、ヘルツが電磁波の実験中に最初に気づきました。

亜鉛板を検電器につないで負に帯電させ、紫外線ランプで照らすと、はくの開きがだんだん小さくなります。亜鉛板を正に帯電させたり、ランプと亜鉛板の間にガラスを入れたり、とても強い赤色光に替えたりしてみましょう。

電場の中で電子がどう動くかは FieldLab で見られます。

光電管と電流–電圧特性

光が光電管の陰極 K から光電子をたたき出し、陽極 A がそれを集めて光電流になります。順方向の電圧をかけると電流は増えて飽和電流に達し、それ以上増えません。逆方向の電圧をかけると電流は減り、ある電圧でゼロになります。この電圧を阻止電圧 Uc といいます。

実験からわかること：金属ごとに限界振動数があり、それより低い振動数の光では、どれほど強くても光電子は出ません。光電子の最大運動エネルギーは振動数とともに大きくなり、光の強さにはよりません。光が強いほど飽和電流は大きくなります。光電子はほとんど瞬時に放出されます。アインシュタインは光子で説明しました：Ek = hν − W₀。

ここでの光の強さは入射光の出力のことです。出力が同じなら、振動数が高いほど光子 1 個のエネルギーは大きく、光子の数はかえって少なくなります。

プランク定数の測定

eUc = hν − W₀ から Uc = (h/e)ν − W₀/e：阻止電圧は振動数の一次関数で、傾きは h/e、横軸との交点が限界振動数です。1916 年、ミリカンはアインシュタインの式を否定しようとして、逆にそれを精密に確かめることになりました。

水銀のスペクトル線を 1 本選び、逆電圧をゆっくり上げて、検流計の針がちょうどゼロに戻ったときの電圧を記録します。3 本以上のスペクトル線で記録したら、直線を当てはめましょう。陰極の金属を替えて、2 本の直線を比べましょう。

光の波動と粒子の二重性

光電効果は光の粒子性を、干渉や回折は光の波動性を示します。光を弱くして、二重スリットを一度に 1 個の光子しか通らないようにすると、光子は 1 個ごとにスクリーンに点を 1 つだけ打ち、どこに落ちるかは予測できません。それなのに多数の光子の点は干渉縞をつくります。光子がそれぞれの場所に落ちる確率は、光の波の強さで決まります。

ド・ブロイは、電子などの物質の粒子も波動性をもち、波長は λ = h/p だと考えました。電子線をグラファイトの薄膜に通すと、蛍光スクリーンに回折リングが現れ、物質波が確かめられました。

二重スリットの波動光学は OpticsLab へ。

確認テスト

4 つの課題をふり返り、下の選択問題に答えよう。