光電効果 2







光電効果

光電効果は、金属表面に光線を入射すると、電子が飛び出す現象を指します。
単に考えると、光のエネルギーが電気エネルギーの形態に変形されることである。
ただし、金属ごとに一定の周波数以上の光を入射しなければなら電子が飛び出し出るのに、このように電子が飛び出すことができる最小限のエネルギーを仕事関数(work function)と呼ばれています。
通常、光電効果の実験のために、ナトリウム(Na)などのアルカリ金属が頻繁に使用されたが、これはアルカリ金属の仕事関数が小さいため、低い周波数の可視光線でも光電効果を簡単に作り出すことができるからです。

光子一つのエネルギーサイズ

光(電磁波)は波動であると同時に粒子です。
同じ振動数の光であれば、光が運ぶエネルギーの大きさは同じです。
光は、一つ一つの粒のように動き、中途半端粒は存在しません。
一本の光の粒が運ぶエネルギーの大きさは、次のとおりです。

\[ E = h\nu \]

hはプランク定数(6.626×10-34 J・s)、「ν(nu)」は、光の振動数(s-1)です。
光の速度をc(299,792,458 m / s)とすると、

\[ \nu =\frac { c }{ \lambda } \]

ですので、光子のエネルギー大きさを次のように書くこともできます。

\[ E=\frac { hc }{ \lambda } \]

「λ(rambda)」は、光の波長(m)です。

光電子の運動エネルギーと阻止電圧

上記のシミュレーションのような光電効果の実験装置では、適当な大きさの振動数を持つ単色光を金属面に照らせば、金属面から光電効果により電子が放出されます。

このとき、陽極と陰極との間に電圧をかけて放出された電子の運動を妨げた場合、放出される電子の運動エネルギーが減少して、最終的に電子は放出されないことです。
この電圧を阻止電圧といいます。

つまり、阻止電圧をかけない状態で放出される電子の最大運動エネルギーK maxは阻止電圧に電子の電荷量を乗じたものと同じです。

\[ { K }_{ max }\, =\, eV \]

また、金属の表面自体が電子の放出を妨げることもあります。これ仕事関数W(Work Function)と呼ばれます。
したがって、阻止電圧がかかっていない場合、放出される電子の運動エネルギーは、次のように求めることができます。

\[ { K }_{ max }\, =\, h\nu \, -\, W \]

阻止電圧がかかった場合には、放出される電子の最大運動エネルギー

阻止電圧がかかった場合には、放出される電子の最大運動エネルギーKmaxは、次のように計算されます。

\[ { K }_{ max }\, =\, h\nu \, – \, W \, – \, (阻止電圧によるエネルギー損失) \]

エネルギーの単位「J」から「eV」に置換

光電効果と関連しては、エネルギーの単位を「eV」に合わせるのが便利です。
1 eVは、電子1個が1Vの電位差で加速されたときのエネルギー量です。

\[ 1eV \, = \, 1.6×{ 10 }^{ -19 }J \]

将来のエネルギー源、太陽

このような光電効果は、太陽光発電の基本的な概念になります。つまり、一定の周波数以上の光を照射してくれれば、すぐに(時間の遅延が全くない)電子が飛び出します。
この電子が電気回路を回すことができるようであれば、太陽光発電がされているものです。
太陽電池は、砂の中に含まれている珪素(Si、シリコン)を加工して作った半導体です。太陽電池に太陽の光が入ってくると、その中の電子が動いて、これが導線に沿って流れるが、このような電子の流れによって、電気エネルギーが作られます。

太陽電池は、通常、半導体でよく使用される薄い珪素(けいそ)板の両面にそれぞれ非常に少量の燐(りん)と硼素(ほうそ)を添加して製作します。
市販の多く販売されて珪素太陽電池は、太陽光に含まれるエネルギーの15~25%を電気に変えることができます。
ソーラーパネル一枚の出力電圧は約0.6Vしかありません。このため、通常は、複数の板を引き続き付けて出力電圧と電流を高めています。