ハインリヒ・ヘルツによる光電効果の発見が、アルバート・アインシュタインの光の理論にどのようにつながったかを考えてみてください。光電効果の説明。ブリタニカ百科事典 この記事のすべてのビデオを見る
光電効果 、電磁放射を吸収すると、帯電した粒子が材料から、または材料内に放出される現象。この効果は、多くの場合、光が金属板に当たったときに金属板から電子が放出されることとして定義されます。より広い定義では、放射エネルギーは次のようになります。 赤外線 、可視光線、または紫外線、 X線 、またはガンマ線;材料は、固体、液体、または気体の場合があります。放出された粒子は、電子だけでなくイオン(帯電した原子または分子)でもかまいません。この現象は、現代の発展において根本的に重要でした 物理 光の性質(粒子対波状の振る舞い)について提起された不可解な質問のために、1905年にアルバートアインシュタインによって最終的に解決されました。この効果は、 材料科学 天体物理学に加えて、さまざまな有用なデバイスの基礎を形成します。
光電効果は1887年にドイツの物理学者によって発見されました ハインリッヒ・ルドルフ・ヘルツ 。ヘルツは、電波の研究に関連して、2つの金属電極に電圧が印加された状態で紫外線が当たると、その光によってスパークが発生する電圧が変化することを観察しました。光と電気のこの関係(したがって 光電 )は、1902年に別のドイツの物理学者PhilippLenardによって明らかにされました。彼は、荷電粒子が金属表面から解放されることを実証しました。 照らされた そして、これらの粒子は、英国の物理学者によって発見された電子と同一であるということです。 ジョセフジョントムソン 1897年に。
さらなる研究により、光電効果は、光を電磁波として説明する古典物理学では説明できない、光と物質の間の相互作用を表すことが示されました。不可解な観察の1つは、放出された電子の最大運動エネルギーは、波動理論から予想されるように、光の強度によって変化せず、代わりに光の周波数に比例するというものでした。光の強さが決定したのは、金属から放出された電子の数でした( 電流 )。別の不可解な観察は、放射線の到着と電子の放出の間に実質的にタイムラグがなかったということでした。
光電効果:アインシュタインのノーベル賞を受賞した発見であるブライアン・グリーンが、量子革命の開始に貢献した洞察である光電効果の重要な公式について説明します。このビデオは彼のエピソードです 毎日の方程式 シリーズ。ワールドサイエンスフェスティバル(ブリタニカ出版パートナー) この記事のすべてのビデオを見る
これらの予期しない動作を考慮して、アルバートアインシュタインは、1905年に、光の各粒子または光子が、光の周波数に依存する一定量のエネルギーまたは量子を含む、新しい光の粒子説を策定しました。特に、光子はエネルギーを運びます IS に等しい h f 、 どこ f 光の周波数であり、 h は、ドイツの物理学者MaxPlanckが1900年に導出した普遍的な定数です。 波長 黒体放射の分布、つまり、高温の物体から放出される電磁放射。関係は同等の形式で書くこともできます IS = h c /λ、ここで c は光速、λはその波長であり、光子のエネルギーがその波長に反比例することを示しています。
アインシュタインは、光子が材料に浸透し、そのエネルギーを電子に伝達すると仮定しました。電子が金属を高速で移動し、最終的に材料から出てくると、その運動エネルギーは、仕事関数(電子の仕事関数と同様)と呼ばれる量ϕだけ減少します。これは、電子が金属から逃げるのに必要なエネルギーを表します。金属。沿って 電気の保存 、この推論はアインシュタインを光電方程式に導きました IS に = h f − ϕ、ここで IS に 放出された電子の最大運動エネルギーです。
アインシュタインのモデルは、照らされたプレートからの電子の放出を説明していましたが、彼の光子は 仮説 それがさらなる実験的検証を受けるまで、それが普遍的に受け入れられなかったほど十分に過激でした。アメリカの物理学者による非常に正確な測定が行われた1916年に、さらなる確証が行われました。 ロバートミリカン アインシュタインの方程式を検証し、アインシュタインの定数の値が高精度であることを示しました h と同じでした プランク定数 。アインシュタインは、光電効果を説明したことで、1921年についにノーベル物理学賞を受賞しました。
1922年、アメリカの物理学者アーサーコンプトンは、自由電子と相互作用した後のX線の波長の変化を測定し、X線を光子でできているものとして扱うことで変化を計算できることを示しました。コンプトンは、この作品で1927年のノーベル物理学賞を受賞しました。 1931年、英国の数学者ラルフ・ハワード・ファウラーは、金属の光電流と温度の関係を確立することにより、光電子放出の理解を深めました。さらなる努力は、電磁放射が電子を放出する可能性があることを示しました 絶縁体 、電気を通さない、半導体では、特定の状況下でのみ電気を通すさまざまな絶縁体。
量子力学によれば、原子に結合した電子は特定の電子配置で発生します。特定の材料の電子が通常占める最高のエネルギー配置(またはエネルギーバンド)は価電子帯と呼ばれ、その充填度によって材料の電気伝導率が大きく決まります。典型的な 運転者 (金属)、価電子帯は電子で約半分満たされ、電子は原子から原子へと容易に移動し、電流を運びます。良いことに インシュレータ ガラスやゴムなどの価電子帯は満たされ、これらの価電子の移動度はほとんどありません。絶縁体と同様に、半導体は一般に価電子帯が満たされていますが、絶縁体とは異なり、電子を価電子帯から次の許容エネルギー帯(伝導帯と呼ばれる)に励起するために必要なエネルギーはごくわずかです。レベルは比較的無料です。たとえば、シリコンのバンドギャップは1.12 eV(電子ボルト)であり、ガリウムヒ素のバンドギャップは1.42eVです。これは、赤外線と可視光の光子によって運ばれるエネルギーの範囲内であり、したがって、半導体内の電子を伝導帯まで上昇させる可能性があります。 (比較のために、通常の懐中電灯バッテリーは、通過する各電子に1.5 eVを与えます。絶縁体のバンドギャップを克服するには、はるかに高いエネルギーの放射線が必要です。)半導体材料の構成方法によっては、この放射線が発生する場合があります。 強化する 印加電圧によってすでに誘導されている電流に追加することによるその電気伝導率( 見る 光伝導性)、または外部電圧源とは独立して電圧を生成する場合があります( 見る 光起電力効果)。
光伝導性は、光によって解放された電子と正電荷の流れからも発生します。伝導帯に上げられた電子は、正孔と呼ばれる価電子帯の負電荷の欠落に対応します。半導体が照射されると、電子と正孔の両方が電流の流れを増加させます。
光起電力効果では、入射光によって解放された電子が生成された正孔から分離されるときに電圧が生成され、電位差が生じます。これは通常、 p - n 純粋な半導体ではなく接合。 A p - n ジャンクションは間の接合部で発生します p -タイプ(ポジティブ)および n -タイプ(ネガティブ)半導体。これらの反対の領域は、過剰な電子を生成するためにさまざまな不純物を追加することによって作成されます( n -タイプ)または余分な穴( p -タイプ)。照明は、接合部の反対側にある電子と正孔を解放して、接合部の両端に電流を推進できる電圧を生成し、それによって光を電力に変換します。
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他の光電効果は、次のようなより高い周波数の放射によって引き起こされます。 X線 とガンマ線。これらの高エネルギーの光子は、原子核の近くで電子を放出することさえできます。このような内部電子が放出されると、高エネルギーの外部電子が急速に落下して空孔を埋めます。過剰なエネルギーにより、原子から1つまたは複数の追加の電子が放出されます。これは、オージェ効果と呼ばれます。
また、高い光子エネルギーで見られるのは、コンプトン効果です。 X線 またはガンマ線光子が電子と衝突します。効果は、運動量保存を含む、任意の2つの物体間の衝突を支配する同じ原理によって分析できます。光子は電子にエネルギーを失います。これは、アインシュタインの関係式によると、光子の波長の増加に対応する減少です。 IS = h c /λ。電子と光子の部分が互いに直角になるような衝突の場合、光子の波長は、コンプトン波長と呼ばれる特徴的な量、2.43×10だけ増加します。−12メーター。
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