光電効果：説明とアプリケーション

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光電効果とは、電磁放射を吸収した材料から電子が放出されたときに何が起こるかを指します。物理学者のアルバートアインシュタインは、効果を完全に説明した最初の人物であり、彼の研究に対してノーベル賞を受賞しました。

光電効果とは何ですか？

Scientific Americanによると、特定のポイントを超えるエネルギーを持つ光を使用して、電子をノックして固体金属表面から解放することができます。光子と呼ばれる光の各粒子は、電子と衝突し、そのエネルギーの一部を使用して電子を追い出します。光子の残りのエネルギーは、光電子と呼ばれる負の電荷に移動します。

これがどのように機能するかを理解することは、現代の物理学に革命をもたらしました。光電効果の応用により、「電気アイ」ドア開閉装置、写真に使用される光度計、ソーラーパネル、およびフォトスタティックコピーがもたらされました。

発見

アインシュタイン以前は、科学者によって効果が観察されていましたが、光の性質を完全に理解していないため、行動に混乱しました。 1800年代後半に、スコットランドの物理学者ジェームズクラークマクスウェルとオランダのヘンドリクローレンツは、光が波として振る舞うように見えると決定しました。これは、光波があらゆる種類の波（水中の波を含む）に共通する干渉、回折、散乱をどのように示すかを確認することで証明されました。

したがって、1905年のアインシュタインの議論は、光が粒子のセットとしても振る舞うことができるということは、電磁放射の古典的な理論に適合しなかったため、革新的でした。他の科学者は彼の前に理論を仮定しましたが、アインシュタインは、なぜ現象が発生したのか、そしてその影響について完全に詳しく説明した最初の人でした。

たとえば、ドイツのハインリッヒヘルツは、1887年に光電効果を見た最初の人物でした。英国の天文学者によると、彼が紫外光を金属電極に照射すると、電極の後ろで火花を動かすのに必要な電圧が低下することを発見しましたデビッドダーリン。

その後、1899年にイギリスで、J.J。トンプソンは、金属表面に当たる紫外線が電子の放出を引き起こしたことを示した。光電効果の定量的測定は1902年に行われ、Philipp Lenard（Hertzの元アシスタント）の研究により行われました。光に電気的特性があることは明らかでしたが、何が起こっているのかは不明でした。

アインシュタインによれば、光は最初は量子と呼ばれ、後に光子と呼ばれる小さなパケットで構成されています。量子が光電効果の下でどのように動作するかは、思考実験によって理解できます。井戸に囲まれた大理石を想像してください。これは原子に束縛された電子のようなものです。光子が入ると、大理石（または電子）に当たり、井戸から脱出するのに十分なエネルギーを与えます。これは、金属の表面に当たる光の振る舞いを説明しています。

当時スイスの若き特許書記であったアインシュタインがこの現象を1905年に説明したが、ノーベル賞が受賞したのにさらに16年を要した。これは、アメリカの物理学者ロバートミリカンが研究を検証しただけでなく、アインシュタインの定数の1つとプランクの定数の間の関係も発見した後に起こりました。後者の定数は、粒子と波が原子の世界でどのように動作するかを示します。

1922年にアーサーコンプトン（X線も光子として扱うことができることを示し、1927年にノーベル賞を受賞した）と1931年にラルフハワードファウラー（金属温度と光電流の関係。）

用途

光電効果の説明は非常に理論的に聞こえますが、その研究には多くの実用的な用途があります。ブリタニカはいくつかを説明します：

光電セルは元々、カソードを含む真空管を使用して光を検出し、電子を放出し、アノードが結果として得られる電流を集めるために使用されていました。今日、これらの「光電管」は、太陽電池や光ファイバー通信などのアプリケーションで使用される半導体ベースのフォトダイオードに進歩しています。

光電子増倍管は光電管のバリエーションですが、ダイノードと呼ばれるいくつかの金属板があります。光は陰極に当たると電子が放出されます。次に、電子は最初のダイノードに落下し、2番目のダイノードに落下した電子をさらに放出し、次に3番目、4番目などに放出します。各ダイノードは電流を増幅します。約10のダイノードの後、電流は光電子増倍管が単一の光子でさえ検出するのに十分強力です。この例は、分光法（たとえば、光をさまざまな波長に分解して星の化学組成についてさらに学ぶ）や、身体を検査するコンピュータ化された軸方向断層撮影（CAT）スキャンで使用されます。

フォトダイオードと光電子増倍管の他の用途には、次のものがあります。