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光電効果(こうでんこうか、Photoelectric effect)は、物質が光を吸収した際に物質内部の電子が励起されること、もしくはそれに伴って電子が飛び出したり、光伝導や光起電力が現れることを指す。励起された電子は光電子と呼ばれる。光電子が物質の表面から放出される外部光電効果(external photoelectric effect)と、光照射によって物質内部の伝導電子(これも光電子と呼ぶ)が増加する内部光電効果(internal photoelectric effect)に分けられる。単に光電効果という場合は外部光電効果を指す場合が多いが、内部光電効果も光センサなどで広く利用される。

◆外部光電効果

物質に光を照射すると、電子(光電子)が物質の表面から放出される現象を外部光電効果、または単に光電効果と言う。広義には電子のみならず、原子や分子が外部に放出される現象も含める。また、気体の原子や分子が自由電子を放出する光イオン化(光電離、photoionization)も広義の外部光電効果である。

◇歴史

1887年、ドイツの物理学者ヘルツ (H.R. Hertz)は、陰極に紫外線を照射することにより、電極間の放電現象が起こって電圧が下がる現象として、光電効果を見出した。

翌1888年、金属に短波長の(振動数の大きな)光を照射すると、電子が表面から飛び出す現象がドイツの物理学者ハルヴァックス(W.L.F.Hallwacks)によって発見された。

その後、ドイツの物理学者レーナルト(P.Lenard)の研究によって解明が進み、

・電子の放出は、ある一定以上大きな振動数の光でなければ起こらず、振動数の小さな(=長波長の)光をいくら当てても電子は飛び出してこない。

・「振動数の多い光を当てると電子ひとつのエネルギーは変わるが飛び出す電子の数に変化はない」⇔光のエネルギーはh(プランク定数)×ν(光の振動数)なので、光の振動数が多くなれば「光の粒」(後に言う光子)一個当たりのエネルギーも大きくなり、はじき出される電子のエネルギーもその分大きくなる。しかしこの場合は「光の粒」を数多く発射したわけではなく、振動数を上げただけなので電子の量は変わらない。

・「強い光を当てるとたくさんの電子が飛び出すが、電子1個あたりのエネルギーに変化はない」⇔強い光はたくさんの「光の粒」が金属に当たっている。つまり、はじき出される電子の数は多くなるが、ぶつかる「光の粒」の方が、$h\backslash nu$という一定のエネルギーしか持っていないので、電子一個のエネルギーは変わらない。

などの事実が明らかにされた。

この現象は、19世紀の物理学では説明することのできない難題であったが、1905年、物理学者のアルベルト・アインシュタインの導入した光量子仮説によって、説明付けられた。アインシュタインは、この業績によって、1921年にノーベル物理学賞を受賞している。アインシュタインは相対性理論ではノーベル賞を受賞していない。

◇概要と数式

光電子の放出は物質に一定の振動数以上の光を照射した時のみ発生する。これを限界振動数($\backslash nu\; \_O$)と言う。またその時の波長を限界波長($\backslash lambda\; \_O$)と言う。これらの値は物質の種類によって決まり、入射光の強度にはよらない。

この現象の起こりやすさは仕事関数($\backslash varphi$)で表すことができ、これを用いて書くと限界振動数は、$c$ を光速、$e$ を電気素量として

と表される。

◇ 応用例

外部光電効果の応用例としては、外部光電効果型の光センサ(光電管、光電子増倍管や撮像管など)がある。光電面には仕事関数の小さいアルカリ金属が用いられる。内部光電効果を利用したものに比べて暗電流が少ない、線形性が良いなどの特徴を持ち、光やX線の高感度検出や精密測定に用いられる。特に光電子増倍管は汎用の超高感度光センサとしての用途が広く、原子吸光分析法等、各種の研究開発や工業生産・測定などの現場で利用されている。

また、放出された光電子のエネルギーや運動量を調べることで物質内部のバンド構造や表面状態などを調べられるため、光電子分光法などの分析手法にも応用される。

◆内部光電効果

半導体や絶縁体に充分に短波長の光を照射すると、物質内部の伝導電子が増加する現象、またそれによって起こる電気伝導率が増加するなどの現象を内部光電効果と呼ぶ。光伝導(photoconduction、光導電)とも言う。

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