光電放出とは、金属表面に光を当てると電子が飛び出す現象で、この現象は光電効果として知られています。光電子は、体から放出される電子です。この点で、光電子の放出と、金属の表面から放出される光電子の運動エネルギーは、金属の表面に当たる光の周波数に依存することに注意することが重要です。光電子放出とは、光が金属に作用した結果、金属の表面から光電子が放出されるプロセスを指します。
発見
ハインリヒ・ヘルツは、1887 年にマクスウェルの光の電磁理論を証明する実験を行っているときに、奇妙な現象を発見しました。ヘルツは当時、マクスウェルの光の電磁理論を証明する実験を行っていました。電磁波の存在は、スパーク ギャップ (電気火花を生成できるように、互いにわずかな距離に配置された 2 つの鋭い電極) を使用して検出されました。彼はそれを暗い箱に入れてより詳しく調べたところ、火花の長さが短くなっていることを発見しました。ガラスの箱を使用すると、火花の長さが長くなりました。ただし、石英ボックスに切り替えると、火花の長さがさらに長くなります。光電効果が観測されたのはこれが初めてでした。
Wilhelm Hallwachs は、これらの発見を 1 年後に確認し、電池に接続された亜鉛板に照射された紫外光が電流を生成したことを実証しました (電子放出のため)。 J.J.トンプソンは 1898 年に、生成される電流の量が、使用される放射線の強度と周波数に応じて変化することを発見しました。
レナードは、放出される電子の運動エネルギーが、使用される放射線の周波数に正比例して増加することを 1902 年に発見しました。マクスウェルの電磁理論 (ヘルツが正しいことを証明した) は、運動エネルギーは光の強さ (周波数ではない) のみに依存するはずであると予測したため、これは説明できませんでした.
アインシュタインはわずか数年後に光電効果の説明を提供し、問題は終結しました.
実験のセットアップ
JJが使用した実験装置。トンプソンがこの効果 (後にレナードによって改善された) を研究することは非常に重要です。これは、排気された (真空が維持されている) ガラス管の両端に配置された 2 つの亜鉛板電極で構成されています。小さな石英ウィンドウは、2 つの電極で構成されている陰極として機能する電極の 1 つを照らします。通常のガラスは紫外線を吸収するため、代わりに石英が使用されます。可変電圧は、バッテリーと調整可能なポテンショメータによって 2 つの電極間に印加されます。電流計を使用すると、電位と光強度が変化したときに回路を流れる電流を記録できます。
録音
光電流は、電極に当たる光の強度に正比例します。電流は光源の強度に比例して増加することが注目されました。また、電流は電圧の減少に正比例して減少します。ただし、電流をゼロにするには、停止電位と呼ばれる特定の V0 まで電圧を逆にする必要があります。これは、電子がアノードに到達するのを防ぐ程度まで電圧を逆にする必要があることを意味します。これは、放出された電子が達成できる運動エネルギーの最大量です。
可能な限り最高の運動エネルギー
KE =eV0
(e は電子によって運ばれる電荷を示します。)
最大運動エネルギーは、観測される光の周波数に比例して増加します。光の周波数 (v) が増加すると、停止電位はより負になり、この結果として電子の運動エネルギーが増加することを意味します。
一方、光のすべての周波数は、光電流の発生を引き起こすことができません。ある閾値（0）以上の周波数の光だけが光電流を発生させることができます。これは、使用する電極材料によって異なります。さらに、電子の最大運動エネルギーは、放射される光の周波数に比例して増加します。実際、x 軸の下に移動すると、運動エネルギー軸上の切片は、電子放出に必要なエネルギーの最小量を表します。これは、材料の仕事関数と呼ばれます。
観察
- 特定の金属の場合、それを超えると光電効果が発生する特定の最小周波数があり、これをしきい値周波数と呼びます。
- 入射光子の数を一定に保ちながら入射光の周波数を増加させると、放出される光電子の最大運動エネルギーが増加します。
- しきい値周波数を超えると、光電子の最大運動エネルギーは入射光の周波数のみに依存し、しきい値周波数を超える入射光の強度には依存しません。
- 光電子が放出される速度は、特定の金属の入射光の強度と入射光の周波数に正比例します。光電流の大きさは、入射光の大きさが大きくなるにつれて増加します。
- 光子の入射と光電効果放射線の放出の間のタイムラグは非常に短く、10-9 秒未満です。
結論
物質が電磁放射を吸収すると、光電効果として知られる現象が発生し、荷電粒子が物質から、または物質内で放出されます。金属板に光が当たると、その効果は一般に板から電子が放出されると説明されています。この現象は、光の性質、特に粒子であるか波動であるかについて不可解な問題を提起したため、現代物理学の発展において根本的に重要でした。これらの疑問は、1905 年にアルバート アインシュタインの研究の結果、最終的に解決されました。この効果は、材料科学から天体物理学まで、幅広い分野の研究にとって引き続き重要であり、日常生活で役立つさまざまなデバイスの基礎となっています。
