光電効果とは

   物質に光が当たると、中の電子が飛び出てくる現象


   物質中の電子は原子核の引力で束縛されてて、普通は外へ出てこられない。

   外へ出るためには、束縛を切るためのエネルギーが必要。

   光電効果では、光のエネルギーでこの束縛が切れる。

    (光といっても、エネルギーが大きくないといけないので、紫外線になる)



光電効果の性質

 (1) 飛び出てくる電子の数は、光の強さに比例している

 (2) 波長がある値より長い光では、どんなに強い光でも出てこない

 (3) 波長がある値より短い光では、どんなに弱くても出てくる



光が電磁波なら

 ● 強い光とは波の大きさが大きいということなので、電子をより大きく揺さぶる。

   にもかかわらず、電子が出てこないとはどういうことか?

 ● 弱い光は波の大きさが小さいので、波長が長くても短くても、電子を揺さぶる量は小さい。

   にもかかわらず、電子が飛び出るとはどういうことか?


光量子仮説

 ● 光はエネルギーをかたまりとしてやり取りする。

 ● 波長の長い光はエネルギーの大きさが小さい、短い光は大きい。

 ● 光の強さは(エネルギーをかたまりである)光子の数の多さである。

   波長が長いと、電子に与えられるエネルギーが小さいので、飛び出るエネルギーを越えられない。

   数が多くても電子1個につき、光1個しか当たらないのでダメ。

 ● 波長が短いと、数は少なくても1個のエネルギーのかたまりが大きいので、たまたまそれに当たった

   電子は飛び出るのに必要なエネルギーをもらうことができる。


  光子1個のエネルギー E は波長 λ だけで決まっている

振動数 ν=c/λ

   E=hν=hc/λ プランク定数 h = 6.626×10-34 Js

光速度 c = 3×108 m/s

電子ボルト 1 eV = 1.602×10-19 J

波長 1nm = 1×10-9 m



      

光の波長
(nm)


380

▼

430
▼

460
▼

500
▼

570
▼

590
▼

610
▼

780

▼



紫外線















赤外線


(eV)
エネルギー

▲
3.3
▲
2.9
▲
2.7
▲
2.5
▲
2.2
▲
2.1
▲
2.0
▲
1.6



仕事関数

  物質から電子を取り出すのに必要なエネルギー

マグネ

シウム

アルミ

ニウム

銀

鉛

すず

亜鉛

銅

鉄

2.25

3.66

3.2

4.28

4.0

4.2

4.4

4.42

4.5

4.33

4.9

4.59

4.65

4.62

〜420nm

〜330nm

〜310nm

〜290nm

〜275nm

〜270nm

  計り方や表面の状態によって、ばらつきがある

本日の実験

  紫外線を当てると本当に電子が飛び出すのか


  手順

  (1) 摩擦で静電気を起こす

  (2) 箔検電器にマイナスの電気(電子)をためる

     【ため方は2通り】

  (3) 紫外線を金属に当てる

    →(4A) 電子が飛び出せば、箔は閉じる

    →(4B) 電子が出なければ、箔はそのまま



静電気のため方


【方法1】 マイナスに帯電した棒をこすり付ける

【方法2】 プラスに帯電した棒を近づける (マイナスの電気(電子)がよって来る)

そのまま指をつける (プラスの電気が指を通って逃げる)

(電子は引き寄せられているので逃げない)

指を離した後、棒を離す (電子が全体に広がる)



摩擦と静電気

  2種類の物質をこすると、下の順(帯電列)でプラスやマイナスの電気を帯びる

+

ガラス

人毛

ナイロン

羊毛

レーヨン

木綿

絹・麻

木



人の皮膚

アルミニウム

紙

エボナイト

ゴム・鉄・銅

ニッケルなど

ポリエチレン・ポリプロピレン・ポリエステル・ポリウレタン

塩ビ

テフロン

−

  +−の順番もばらつきが大きい

  アクリルは+になりやすいか、−になりやすいかチェック