光電効果とは 量子論ことはじめ~古典物理学の適用範囲~

化学

今回はことはじめとして、光電効果について。

光は波か、粒子か、それとも別の何かか

これは相当昔から議論となっていたこと。光の伝達速度がとても速いことなどもあり、なかなか決着はつきませんでした。結局、古典物理学の範疇では光は波である(電磁波の一種である)という結論に達しました。これは、光が干渉などの波に特有の性質を示したからです。

光電効果とは何か

光電効果とは、金属に光を当てると電子が飛び出てくる現象。波は連続するエネルギーを持つので、このエネルギーによって電子が飛び出してきたと考えればよさそうです。しかし、次の点で古典物理学と矛盾してしまったのです。

  1. 金属の種類によって決まる$$\nu_0$$が存在し、$$\nu\le\nu_0$$のときは、光の強さをどれだけ強くしても電子は出てこない。
  2. $$\nu>\nu_0$$のときは光の明るさによらず、$$K_{max}=h(\nu-\nu_0)$$
  3. $$\nu>\nu_0$$のときは、光の明るさによらず光を当てると$$10^{-8}$$秒程度以下で電子が出てくる。
  4. $$\nu>\nu_0$$の時、$$\nu$$を決めると$$I_0=Ne\propto N \propto A$$ (Aは明るさ)

これらから、光が波であるとすると話がおかしいな、となったわけです。

アインシュタインの光子仮説

これを解決したのがアインシュタイン。当時無名だったアインシュタインでしたが、光子仮説は光電効果をうまく説明してしまったので有名になったようです。

  1. 十分なエネルギーを持つ光子を当てなければ電子が飛び出さないということで、1.を説明できる。
  2. 仕事量が大きい時、電子は、光子から受け取ったエネルギーから飛び出るために必要な最小限のエネルギーを差し引いたエネルギーを持って飛び出てくるということで、2.を説明できる。
  3. 光子が衝突した時、電子は瞬間にエネルギーを受け取るということで、3.を説明できる。
  4. 光子の個数に比例して電子が飛び出てくるということで、4.が説明できる。

このように、うまく説明できてしまったんですね。

どのように解釈すればよいか

つまりここまでで、光は波でも粒子でもあるということが明らかになってしまったわけです。結局どっちが正しいのかということですが、どちらも正しいです。そんなことモヤモヤすると思われるかもしれませんが、これが現実なのです。

結局のところ、我々が見ることができるのは光が起こしたなんらかの現象なのです。光を直接見ることはできないのです。だから我々が直接見られない光というものは粒子の性質も波の性質ももつものなのです。これを光の二重性といいます。光の二重性を認めることで、各現象でどちらの性質が如実に現れたのかを区分けすることで現象を理解するしかないということになりました。


この理論は、当時の科学者たちでさえ理解に苦しんだそうです。なのですぐに理解することは難しいでしょう。まずは、「この場合は粒子としての性質、この場合は波としての性質」と区分けして考えていき、少しづつ慣れていくしかないと思います。

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