光電効果

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光電効果

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/06/27 02:14 UTC 版)

光電効果 （こうでんこうか、（英: photoelectric effect）とは、物質に光を照射した際に、電子が放出されたり電流が流れたりする現象である。

デジタルカメラや太陽光発電の動作原理として広く利用されている。外部光電効果と内部光電効果の二種類があり、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。内部光電効果は、光起電力効果とも呼ばれる。

外部光電効果

外部光電効果：金属等に光を照射すると光電子が飛び出す

物質に光を照射すると、光と電子の相互作用によって、光のもつエネルギーが電子に与えられ、電子（光電子）が物質の表面から放出される。この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（英: photoionization、光電離）も広義の外部光電効果である。

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。このときの振動数を限界振動数 ν₀ と言う。またその時の波長を限界波長 λ₀ と言い、これらの値は物質の種類によって決まっている。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 φ で表すことができ、ν₀ と λ₀ を用いて書くと、c を光速、e を電気素量として

$h\nu _{0}={\frac {ch}{\lambda _{0}}}=e\varphi$

内部光電効果：半導体や絶縁体に光を照射すると電子が励起する

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（英: photoconduction）、光導電とも言う。半導体や絶縁体において、価電子帯や不純物準位などにある電子が光子のエネルギーを吸収し、伝導帯などへ励起される。この励起された電子を光電子と呼ぶ。これによって伝導電子や正孔が増加するため、導電性が増す。この性質を光伝導性（英: photoconductivity）、光導電性という。この時の電気伝導率の増加は、キャリアの電荷を e、キャリアの寿命を τ、移動度を μ、体積・時間あたりの光子数を f、1光子あたりに生じるキャリア数（量子効率）を η として

$\Delta \sigma =e\tau \mu \eta f$

ミリカンの実験装置の略図

ミリカンは真空中の陰極に光を当てて光電効果を起こし、その時に陰極、陽極間に流れる電流を測定した。そして、陰極、陽極間の電圧と光電子の運動エネルギーの関係からプランク定数を求め、光電効果を実証した。光電子の運動エネルギーを E_k、電界が電子にする仕事を eV とする。もし、 eV > E_k ならば、光電子は陽極に到達することができなくて電流は流れない。よって、ちょうど電流が流れなくなる電圧を V₀ とすると、アインシュタインの方程式 hν = P₂ + eV より

${\begin{aligned}&eV_{0}=h\nu -P_{2}\\&V_{0}={\frac {h}{e}}\nu -{\frac {W}{e}}\end{aligned}}$

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