光電効果は、光によって物質から電子が放出される現象です。単純な金属の模型では、光の周波数がある値より低いと、明るくしただけでは電子を出せません。光の「量」と、一個の光子のエネルギーを分ける入口です。
読み：こうでんこうか ／ 英語・関連表記：photoelectric effect 光電子
光子一個のエネルギーを考える
光子のエネルギーはE=hνで表されます。hはプランク定数、νは周波数です。周波数が大きいほど、一個の光子が持つエネルギーは大きくなります。一方、同じ周波数の光を明るくすることは、単純な模型では届く光子の数を増やすことに対応します。
例えば一個あたりのエネルギーが同じなら、数を2倍にしても一個のエネルギーは2倍にはなりません。この区別が、しきい値の話を読む準備になります。
電子を外へ出すための仕事関数
物質から電子を取り出すために必要な最小のエネルギーを、仕事関数と呼びます。単純な一光子の説明では、入射光子のエネルギーhνが仕事関数Wを超えた分が、放出電子の最大運動エネルギーになります。式ではKmax=hν−Wです。
説明用にW=2 eVの表面を仮定します。3 eVの光子なら最大1 eV、1.5 eVの光子ならこの一光子の模型では放出できません。これは考え方を示す仮の数値で、特定の材料の測定値ではありません。
明るさと周波数を、別々に変える
しきい値より上で、同じ周波数の光を強くした場合、理想化した条件では放出電子の数が増えます。しかし最大運動エネルギーを決めるのは周波数と仕事関数です。数が増えることと、一個が速く出ることは違います。
実際には表面状態、反射、装置の電圧なども測定へ影響します。強いレーザーによる多光子過程まで含めれば、一光子の説明の範囲を超えるので、「低周波の光では絶対に何も起きない」と一般化しません。
光は粒なのか、波なのか
光電効果は、光のエネルギーの受け渡しを光子として考える重要な例です。一方、干渉や回折では波としての振る舞いが現れます。日常の硬い粒と水面の波のどちらかへ完全に置き換えるより、どの実験で何を測ったかを比べることが大切です。