光電効果と光の粒子性
光電効果はアインシュタインが光の粒子性（光子）で説明し、量子論の扉を開いた現象です。
基本知識
光電効果: 金属表面に光を当てると電子（光電子）が飛び出す現象。
古典電磁気学では説明できない実験事実:
① 振動数 f が仕事関数 W に対応する限界振動数 f₀ 以下では、光が強くても電子は出ない
② 電子の最大運動エネルギーは光の強度に無関係、振動数だけで決まる
③ 光が弱くても振動数が高ければ即座に電子が出る
アインシュタインの光量子仮説:
光はエネルギー E = hf を持つ粒子（光子・フォトン）の集まり。
光電子の最大運動エネルギー:K_max = hf − W（W: 仕事関数 = 金属から電子を取り出す最低エネルギー）
限界振動数: f₀ = W/h（hf₀ = W）
📘 重要用語
光電効果 (photoelectric effect)（光照射で金属から電子が放出される現象）
光子・フォトン (photon)（E = hf のエネルギーを持つ光の粒子）
仕事関数 W (work function)（金属から電子を取り出すのに必要な最低エネルギー）
限界振動数 f₀（光電効果が起きる最低の振動数。hf₀ = W）
光の二重性（光は波動性と粒子性の両方を持つ）
光電効果 (photoelectric effect)（光照射で金属から電子が放出される現象）
光子・フォトン (photon)（E = hf のエネルギーを持つ光の粒子）
仕事関数 W (work function)（金属から電子を取り出すのに必要な最低エネルギー）
限界振動数 f₀（光電効果が起きる最低の振動数。hf₀ = W）
光の二重性（光は波動性と粒子性の両方を持つ）
深掘り (背景・意義)
アインシュタインは1905年（奇跡の年）にこの論文を発表し、1921年のノーベル物理学賞を受賞しました（相対性理論ではなく光電効果の研究が受賞理由です）。
光の二重性: ヤングの干渉実験（波動性）とコンプトン散乱・光電効果（粒子性）の両方が成立します。どちらの「顔」を見せるかは実験の設定次第です（波粒二重性）。
光電効果は太陽光発電の基本原理です: 半導体に光が当たると電子が励起されて電流が流れます（光起電力効果）。ただし半導体内部の現象なので金属表面の光電効果と完全に同じではありません。
💡 ポイント
- E = hf（光子のエネルギー）
- K_max = hf − W（光電子の最大運動エネルギー）
- 限界振動数 f₀ = W/h
- 電子の出方は強度ではなく振動数で決まる
- 光電効果 → 光の粒子性の証拠
- 波粒二重性: 干渉→波動性、光電効果→粒子性
- アインシュタイン 1921 年ノーベル賞
注意点 (混同しやすい)
① 光を強くしても f < f₀ なら電子は出ない。強度と振動数を区別。② K_max は振動数に線形比例（hf − W）。③ W は金属の種類によって異なる。④ 光の強度を上げると光子の数が増え（K_max は変わらず）電流が増える。
練習
- 仕事関数 W = 4.8 × 10⁻¹⁹ J の金属に振動数 f = 1.2 × 10¹⁵ Hz の光を当てたとき、光電子の最大運動エネルギーを求めよ（h = 6.6 × 10⁻³⁴ J·s）。
- この金属の限界振動数を求めよ。
- 光の強度を2倍にしたとき、光電子の最大運動エネルギーはどうなるか。