光電効果

金属の表面に特定の波長の光が当たると、電子が放出されます。これを光電効果といいます。 このような電子の放出を起こすことができる光の最小周波数をしきい値周波数といい、金属に固有のものです。 しきい周波数よりも低い周波数の光は、たとえ強度が高くても電子の放出を開始することはできません。 しかし、周波数がしきい値よりも高い場合には、放出される電子の数はビームの強度に正比例します。

古典的な波動理論では、波のエネルギーは周波数ではなく強度（振幅）に依存します。 これらの観測結果の中には、一定時間内に放出される電子の数が、明るさが増すにつれて増加するというものがありました。 1905年、アルバート・アインシュタインは、プランクの量子化の発見を、否定されていた粒子論的な光の見方に組み込むことで、パラドックスを解決することができました。

アインシュタインは、プランクが仮定した量子化エネルギーを光電効果の光にも応用できると主張しました。 金属表面に当たった光を波と見なすのではなく、エネルギーが周波数に依存する粒子（後に光子と呼ばれる）の流れと見なすべきです。 ある光のエネルギー量（ E ）は、次式のように周波数（ν）に依存します。

h はプランク定数です。

光電効果は、光が量子化されていると仮定することで説明できます。 電子がもつ結合エネルギー（ Φ ）を克服するには、一定の最小エネルギーが必要です。 これは、金属の仕事関数（ W）と呼ばれます。

金属中の電子にはある程度の結合エネルギーがあるので、電子を解放するためには、入射光にもっと大きなエネルギーが必要になります。 低周波の光には、金属から電子を放出させるだけのエネルギーがありません。このような光を長時間照射しても、電子の放出は見られません。 仕事関数以上のエネルギーを持つ光子が金属に衝突して初めて電子が放出されます。

光子の過剰エネルギーは、放出された電子の運動エネルギーに変換されます。

そのため、十分なエネルギー（しきい値を超える周波数）を持つ光子が当たると、電子が放出されます。 入射光の周波数が高いほど、放出される電子との衝突によって生じます。運動エネルギーが大きくなります。 アインシュタインはまた、光強度は入射波の振幅に依存していないが、一定時間内に表面に衝突した光子の数に依存すると主張しました。 放出される電子の数は、輝度とともに増加します。 入射光子の数が多いほど、一部の電子と衝突する可能性が高くなります。

光電効果は、光の粒子的な振る舞いを強く示唆するものです。 アインシュタインは、 1921 年に光電効果の説明でノーベル物理学賞を受賞しました。 多くの光の現象は波でも粒子でも説明できるが、二重スリットを通過したときに得られる干渉縞のように、粒子的な光の見方に完全に反する現象もあれば、光電効果のように波的な光の見方に完全に反する現象もあります。 まだ完全には解明されていない深い基本的なレベルで、光は波動的であると同時に粒子的でもあるといえます。 これを、粒子と波動の二重性と呼びます。

本書は 、 Openstax 、 Chemistry 2e 、 Section 6.1 ： Electromagnetic Energy から引用しています。