光電効果とは、金属に光を当てると表面から電子が放出される現象です。このようにして生成された電子は、光電子と呼ばれます。
この現象は、光子から電子へのエネルギーの移動に起因します。このような光電子の放出は、あらゆる材料に光線を当てることで観察できますが、金属 (およびその他の導体) で最も容易に観察できます。この背後にある理由は、入射光が金属表面から電子を放出し、電荷の不均衡が生じるためです.
光電効果:光が金属表面に当たると、電子が金属表面から飛び出します。
光電子放出とも呼ばれます または光イオン化 、それは主に電気化学および量子化学とともに、電子物理学で研究されています.
19 世紀の物理学者が古典物理学を使用して光電効果を説明できなかった方法
19 世紀の物理学者は、古典物理学の原理を使用して、金属表面からの電子の放出を説明しようとしました。まず第一に、古典物理学は量子力学や相対性理論を利用しない物理学の分野であり、より完全であると考えられているため広く受け入れられています.
光を波と見なした古典物理学の科学者は、金属表面に当たる光の振動電場が内部に存在する電子を加熱し、次に振動し始めると仮定しました。彼らはまた、光波の明るさ (強度) はそのエネルギーに比例すると信じていました.
光の波動理論を使用して、古典物理学者は次の 3 つの予測を行いました:
- 入射光の明るさ (強度) が高いほど、表面から放出される電子のエネルギーが大きくなります。
- 妥当な強度が維持されていれば、どのような周波数の光波でも電子をノックオフできるはずです。
- 入射光の強度が弱い (微弱すぎる) 場合、金属表面は、電子をノックオフするのに十分な波が表面に当たるまで、しばらくの間、継続的に露出する必要があります。
(写真提供:ScienceABC)
しかし、実験が行われると、古典物理学の予測は正しくないことが判明しました…
- ノックオフされた電子のエネルギーは、入射光の強度に依存しません。
- 入射光波の周波数が臨界値 (しきい値周波数) を超えない限り、電子は表面からノックアウトされません。
- 電子はすぐに出現します 光が金属表面に当たる
したがって、古典物理学の科学者は、アインシュタイン氏が介入した光の波動理論を使用して光電効果を説明できませんでした。
アインシュタインが光電効果を説明
1905年、著名な物理学者アルバート・アインシュタインは、光に関する「予想外の」観察を説明する理論を提示した論文を（相対性に関する彼の有名な論文と同じ号で）発表しました。彼の言葉を引用すると:
<ブロック引用>ここで考慮される仮定によれば、点光源から広がる光線のエネルギーは、増加する空間に連続的に分布するのではなく、空間内の点に局在する有限数のエネルギー量子から構成されます。 、分割せずに移動し、完全なユニットとしてのみ生成および吸収できます。
光子と呼ばれる小さな光の塊が、そのエネルギーを電子に移してノックオフします
簡単に言えば、彼は、光電効果に関する実験では、光は波のように振る舞うのではなく、「光子」と呼ばれる粒子のように振る舞うと提案しました。彼の理論は、光電効果の実験から得られた観察結果を次のように説明することに成功しました:
電子は一度に 1 つの光子しか吸収しないため、金属表面から放出される電子のエネルギーは光の強度に依存しません。光子のエネルギーが十分に大きい場合、電子は表面から叩き出されます。そうでない場合、電子は、隣接する電子や原子との衝突によって、光子から得たエネルギーを散逸させます。
頻度のしきい値
入射光の周波数が閾値周波数として知られている臨界値よりも低い場合、電子は表面から飛散しません。以下は、これをよりよく理解するための図です:
キャプション:しきい値周波数に達しない場合、電子は放出されないことに注意してください。
光の周波数がしきい値周波数を超えない限り、電子は放出されないことに注意してください。ただし、しきい値周波数よりも高い周波数を持つ 2 つの異なる光線の場合、より高いエネルギーを持つ光線は、より高い運動エネルギーを持つ電子を放出します。
アインシュタインはこれでノーベル賞を受賞しました!
1921 年のアルバート アインシュタイン (写真提供者 :Ferdinand Schmutzer / Wikipedia Commons)
おそらくご存じないかもしれませんが、アインシュタインが 1921 年にノーベル物理学賞を受賞したのは、相対性理論ではなく、光の粒子性を使用して光電効果をうまく説明したことに対してです。
光電効果の応用
光電効果には多くの用途がありますが、最も明白で最大の例は、太陽電池を使用した太陽エネルギーの生成への使用です。これらのセルは、太陽にさらされると電気を生成する半導体材料でできています。
電卓 (太陽光発電) のような一般的なものから、地球を周回する大型の人工衛星まで、太陽エネルギーの用途は無数にあります。
太陽光発電の電卓 (写真提供者:Pixabay)
光電効果は、テレビの初期の頃、イメージング技術 (より具体的には、テレビの画像をキャプチャするために使用されるブラウン管の一種であるビデオ カメラ チューブ) にも使用されていました。それとは別に、物質が放出する電子に基づく物質の化学分析に使用され、エネルギー状態と特定の核プロセス間の電子遷移の研究を可能にします。
宇宙船に対する光電効果の望ましくない影響
太陽光に長時間さらされると、宇宙船の金属表面から電子が連続的に放出されるため、光電効果により、宇宙船の外部に正味の正電荷が蓄積する可能性があります。したがって、宇宙船の太陽に照らされた側は正の電荷を発生し、影の側は相対的に負の電荷を発生させます。
宇宙船の表面全体に蓄積された電荷は電流を発生させますが、これは良いことではありません。船内で繊細な回路や機械が動作している場合は特にそうです。
ISS には、宇宙飛行士やプラントだけでなく、複雑で精巧な機械がたくさんあります。 (写真提供:NASA)
したがって、宇宙船の電気システムは、表面に正味の電荷が蓄積するのを防ぐための多数の導体で構成されています。
