光電効果

光をフォトンとして考える

フォトンモデルでは、各フォトンは hf のエネルギーを持ちます。ここで h はプランク定数、f は振動数です。光が明るいほどフォトン数は増えますが、1 個あたりのエネルギーは強さではなく振動数で決まります。

しきい振動数

電子が放出されるのは、各フォトンが物質の仕事関数を超えるだけのエネルギーを持つ場合だけです。そのため、どれだけ明るくしても電子が出ない境目として、しきい振動数が現れます。

シミュレーションで確かめる

シミュレーションで光の振動数や金属表面を変えて、光電子がいつ現れるかを見てみましょう。しきい振動数と停止電位をアインシュタインの式の予測と比べられます。

光は滑らかな波としてではなく、それぞれが一定のエネルギーを持つ光子と呼ばれる小さなかたまりとして金属に当たる。1個の光子のエネルギーが金属の仕事関数（電子を留めておくエネルギー）以上のときだけ、電子が抜け出す。余ったエネルギーは、飛び出す電子の運動エネルギーとなる。

KEₘₐₓ = h · f − φ

• KEₘₐₓ — 最大運動エネルギー (eV): 飛び出した電子が持ち去る最大のエネルギー
• h — プランク定数 (eV·s): 光子の振動数とエネルギーを結ぶ極小の定数
• f — 振動数 (Hz): 毎秒やってくる光波の数
• φ — 仕事関数 (eV): 電子を金属から引き離すのに必要な最小エネルギー

ナトリウム表面に当たる光子が 3.1 eV のエネルギーを持つ。ナトリウムの仕事関数は 2.1 eV。飛び出した電子の最大運動エネルギーは？

• hf = 3.1 eV
• φ = 2.1 eV

1. KEₘₐₓ = h · f − φ
2. KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV

KEₘₐₓ = 1.0 eV

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• 光電効果阈値