光電効果

光電効果：光と物質の相互作用による電子放出現象

光電効果は、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す。この現象は、デジタルカメラの撮像素子や太陽電池など、私たちの身の回りにある多くの機器の動作原理として利用されています。

光電効果には、大きく分けて外部光電効果と内部光電効果の2種類があります。一般的に「光電効果」といえば外部光電効果を指すことが多いです。内部光電効果は光起電力効果とも呼ばれます。

外部光電効果：表面からの電子放出

外部光電効果では、物質に光を照射すると、光子のエネルギーが電子に伝えられ、電子が物質の表面から放出されます。放出された電子を光電子と呼びます。この現象は、物質に特定の振動数以上の光を照射した場合にのみ発生します。この最小の振動数を限界振動数(ν0)、それに対応する波長を限界波長(λ0)と呼びます。これらの値は物質の種類によって決まり、入射光の強さには依存しません。

光電子の放出の起こりやすさは仕事関数(φ)で表され、以下の式で表されます。ここで、hはプランク定数、cは光速、eは電気素量です。


hν0 = ch/λ0 = eφ


外部光電効果を利用した応用例として、光電管、光電子増倍管、撮像素子などの光センサがあります。これらのセンサでは、仕事関数の小さいアルカリ金属が光電面として用いられることが多いです。内部光電効果を利用したものに比べて、暗電流が少なく線形性が高いという特徴があり、光やX線の高感度検出や精密測定に用いられています。特に光電子増倍管は、原子吸光分析法などの研究開発や工業生産・測定現場で広く利用されている超高感度光センサです。また、放出された光電子のエネルギーや運動量を分析することで、物質内部のバンド構造や表面状態を調べることができ、光電子分光法などの分析手法にも応用されています。

内部光電効果：物質内部での電子励起

内部光電効果は、半導体や絶縁体に十分に短波長の光を照射することで、物質内部の電子が励起され、電気伝導率が増加する現象です。光伝導、または光導電とも呼ばれます。半導体や絶縁体では、価電子帯や不純物準位にある電子が光子のエネルギーを吸収し、伝導帯などに励起されます。この励起された電子も光電子と呼ばれます。伝導電子や正孔が増加することで、物質の導電率が増加します。これを光伝導性、または光導電性といいます。

電気伝導率の増加は、キャリアの電荷(e)、キャリアの寿命(τ)、移動度(μ)、体積・時間あたりの光子数(f)、1光子あたりに生じるキャリア数（量子効率）(η)を用いて表すことができます。

内部光電効果は、半導体だけでなく、酸化物、硫化物、有機物など、様々な物質で見られます。

内部CMOSイメージセンサ'>[光]]電効果を用いた光センサには、フォトダイオード、固体撮像素子]、[[光導電セル、太陽電池などがあります。これらのセンサは、低電圧で駆動可能、小型化しやすい、丈夫で長寿命といった利点があります。

光電効果の歴史とアインシュタインの貢献

光電効果に関する研究は19世紀から行われていました。1839年、ベクレルが光起電力効果の研究において光と電流の関係性を見出しました。1887年にはヘルツが、1888年にはハルヴァックスが光電効果を発見しました。レーナルトの研究によって、光電子の放出は特定の振動数以上の光でしか起こらないこと、入射光の強度には依存しないことなどが明らかになりました。

しかし、これらの実験結果は、当時の光の波動理論では説明できませんでした。1905年、アインシュタインは光量子仮説を導入することで、光電効果を説明することに成功しました。アインシュタインは、光は粒子性も持つと仮定し、光子が電子にエネルギーを与えて放出させるというモデルを提案しました。この業績により、アインシュタインは1921年にノーベル物理学賞を受賞しました。1916年には、ミリカンの実験によって光量子仮説が実験的に検証されました。

仕事関数

光電効果において、電子を物質から引き離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。仕事関数は物質の種類によって異なり、光電効果が起こるかどうかを決定します。

ミリカンの実験

ミリカンの実験は、光電効果におけるアインシュタインの方程式を実験的に検証した重要な実験です。ミリカンの実験により、プランク定数の値が精密に求められ、光量子仮説が確証されました。

光電効果は、現代物理学において重要な基礎概念であり、様々な技術に応用されています。これからも光電効果に関する研究は進展し、新たな技術開発に貢献していくでしょう。

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