光電効果とは？アインシュタインが証明した『光は粒』の性質と電子が飛び出す仕組み【眠れなくなるほど面白い 図解 量子の話】

20世紀初頭に発見された「光電効果」とは何か？

物質はたくさんの原子からできているため、その表面には多くの電子がウヨウヨしています。1900年ごろ、プランクにより物質の表面に光を当てると電子が飛び出すことが発見されました。それが「光電効果」。光にはいろいろな色があります。ある研究者が色の異なる光を物質の表面に当ててみると、青色の光では電子が飛び出すのに赤色の光では飛び出さないことがわかりました。青色の光は光が弱くても電子が飛び出しますが、赤色の光ではいくら光を強くしても電子がまったく飛び出さなかったのです。

1905年、アインシュタインがこの少し謎めいた実験結果を見たとき、まさにプランクが提唱した「光の粒」としての性質が関係していると気づきます。そのうえ、光の粒1個のエネルギーが光の色によって違うというプランクの仮説が、とても重要であることにも気がついたのです。

電子はもともと物質の中で居心地よく存在しているので勝手に飛び出すことはありません。空気中に電子を取り出すには一定のエネルギーが必要です。

アインシュタインは光の粒が電子に当たると、そのエネルギーで電子を外に弾き出すと考えました。青色の光の周波数のほうが赤色より大きいため、光の粒1個のエネルギーも青色のほうが大きいことになります。とすると、青色の光の粒で電子を弾き出せても、赤色の光の粒では弾き出せないということが起こり得るのです。そしてその場合、赤色の光の粒をどんなにたくさん当てても電子は飛び出しません。こうしてアインシュタインは、「黒体輻射」を理解するために生み出されたプランクの仮説「光は粒」を使って謎の多かった光電効果をうまく説明することに成功したのです。

光は色でエネルギーが違う粒である！

光を当てるとそのエネルギーをもらって金属から電子が飛び出す！

空気中に電子を取り出すには一定のエネルギーが必要となる。アインシュタインは光を電子に当てると、光の粒が電子を外に弾き出すと推測した。青色の光の周波数のほうが赤色より大きいため、光の粒1個のエネルギーも青色のほうが大きいことになる。そうすると電子は青色の光の粒では弾き出せても、赤色の光の粒ではいくら当てても弾き出せないと考えられるわけだ。

【出典】『眠れなくなるほど面白い 図解 量子の話』著：久富隆佑、やまざき れきしゅう