光電効果

光をうけた物質が、電気特性を変化させる現象。光電効果という用語は、関連のある複数の現象をふくんでいるが、とくに外部光電効果は、物質の表面に光をあてると、光からエネルギーを吸収して物質から電子がとびだしてくる現象である。この現象を利用した装置に光電管がある。光電管では、光電陰極からとびだした電子が、電界によってアノードとよばれる陽極に移動する。

外部光電効果の研究は、現代物理学の発展において重要な役割をはたしている。この現象はヘルツの1887年ごろの実験によってたしかめられてきたが、当時、光や電磁放射は、波動としてふるまうとされていたため、説明のつかない点があった。当時の理論では、照射する光の強度をあげるほど、電子は大きなエネルギーをもって、とびだすはずだったが、実際にはとびだした電子のもつ最大エネルギーは、光の強さには無関係で、光の周波数にのみ関係していた。

外部光電効果を説明できる理論を模索するなかで、1905年にアインシュタインは、ある状況では光を粒子とみなすことが可能であり、この光子(フォトン)のもつエネルギーは、光の周波数にのみ依存するという仮説を提唱した。すると外部光電効果は、光の照射によって金属に衝突した光子が金属中の自由電子にエネルギーをあたえ、自由電子が金属の外にまでとびだす現象であると説明できる。アインシュタインの理論は、とびだした電子の最大エネルギーはなぜ光の強さには無関係なのかということもふくめ、外部光電効果のさまざまな現象をよく説明することが可能であった。彼の理論によれば、とびだした電子のもつ最大のエネルギーは、衝突した光子のもつエネルギーにのみ依存する。そして、光子のエネルギーは光の周波数のみに依存し、光の強さとは一定時間内に衝突する光子の数できまるのである。アインシュタインの理論はのちに実験によってたしかめられ、この光電効果の説明と、光を粒子の集合とする考えはのちの量子論の誕生に貢献した。

光電効果にふくまれる現象はほかにも3つあり、光電離効果、光伝導効果、光起電力効果とよばれている。光電離効果は、光や電磁放射によって気体がイオン化する現象である。この場合、光子は、気体の原子から、1つ以上の電子をひきはなすだけのエネルギーをもっていなければならない。光伝導効果は、光子から結晶物質中の電子がエネルギーを吸収し、電流をになう自由電子となる現象である。光起電力効果は、半導体で、光子が電子と正孔の対をつくる現象で、フォトトランジスター(→ トランジスター)ではこの現象によってことなる半導体を接合した部分に電圧が発生する。これらの光電効果は、露出計、光電管などの光電素子にひろく応用されている。