光電効果

メカニズム

すべての電磁波が光電効果を起こすわけではなく、ある周波数以上の放射線だけが光電効果を起こす。この必要最小限の周波数を「カットオフ周波数」または「しきい値周波数」と呼ぶ。このカットオフ周波数を用いて、仕事関数wを求める。これは、電子を金属表面に保持するエネルギーの量である。仕事関数は、金属の特性であり、入射する放射線の影響を受けない。カットオフ周波数よりも高い周波数の光が金属表面に入射すると、放出された電子は何らかの運動エネルギーを持つことになる。

光電効果を引き起こす光子のエネルギーは，E = h f = K E + w で求められる．ここで、hはプランク定数（6.626×10⁻³⁴J・s）、fは電磁波の周波数、K Eは光電子の運動エネルギー、wは金属の仕事関数である。光子のエネルギーが大きければ、コンプトン散乱（～数千eV）や対生成（～数百万eV）が起こる可能性がある。

光の強さだけでは、電子の放出は起こりません。カットオフ周波数以上の光でなければそれはできない。しかし、光の強さを上げれば、カットオフ周波数以上の光であれば、放出される電子の数は増えます。

沿革

ハインリッヒ・ヘルツが光電効果を初めて観測したのは1887年のことである。2つの帯電した球体に光を当てると、その間を火花が飛び交いやすくなることを報告したのだ。ヘルツが観測した効果については、さらに研究が進められた。1902年、フィリップ・レナードは、光電子の運動エネルギーが光の強さに依存しないことを示した。しかし、アインシュタインがこの効果を完全に説明する理論を提唱したのは、1905年のことである。この理論によると、電磁放射は光子と呼ばれる一連の粒子である。光子は、表面の電子と衝突して放出される。この理論は、電磁放射は波であるという考えに反していた。そのため、最初は正しいとは認められなかった。1916年、ロバート・ミリカンが、真空の光電管を使った実験結果を発表した。彼の研究により、アインシュタインの光電式が非常に正確にその挙動を説明できることがわかった。しかし、ミリカンをはじめとする科学者たちは、アインシュタインの光量子の理論をなかなか受け入れようとしなかった。マクスウェルの波動理論では、光電効果や黒体放射を説明できない。これらは量子力学で説明できる。