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光と電子

光電効果の実験を通じて,光子の概念を理解し,プランク定数を決定する。

アインシュタインによる光量子仮説、およびそれを用いた光電効果の理論は、単に歴史的な価値のみならず、量子論の性質・帰結を直接的に提示する題材 として現代においても有用である。この実験では、光電効果によって生じる光電流を測定し、量子論を代表する物理定数であるプランク定数を求める。

概要

金属に光を当てると電子が飛び出す現象が光電効果である。光と金属間のエネルギーのやりとりから、電子が飛び出す事実それ自体は古典論でも説明可能 である。しかしながら、光電効果のいくつかの性質は古典論からは説明できない。その困難を見事に解消するのがアインシュタインの光量子仮説である。

光量子仮説を用いれば、光電効果は次のように説明できる。光を古典的な波(電磁波)ではなく、特定のエネルギーを持った粒子(光子)であると考える。光子のエネルギーは振動数νに比例する:

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比例定数hはプランク定数といい、量子力学を特徴づける物理定数である。 金属中の電子は束縛されており、電子が金属を飛び出るのに最低Wのエネルギー(仕事)が必要であるとする。飛び出た電子の質量をm、速度をvとすると、エネルギーの保存則は

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の関係が成立する。

原理的に上の式からプランク定数を求めることができるが、Wを直接測定することが困難である。Wは金属の構造に依存し、照射する光の振動数によらないことに注意すれば、常識の「差」を考えることによりプランク定数が求められる。

実験では、光電面に向かい合う位置に電極を設置し、間に電圧をかけて、光電効果による電位差をキャンセルできるようにする。異なる振動数(ν1、ν2)の光を用いて2度実験を行い、それぞれの振動数の光に対する阻止電圧(光電流が流れないときの電子の加速電圧。)をV1、V2とすれば

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である。

特徴

装置の設置は簡単な配線だけで完成する。
光によって電流が発生することを簡単に確認できる。
測定は電流計、電圧計の指針を読み取るだけであり簡単である。

実験の流れ

詳細については、実験マニュアルを参照

画像

手順

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機器を正しく配線する。

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測定器に色のついたフィルターを取り付ける。

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光源のスイッチを入れると、測定器に電流が流れることがわかる。阻止電圧を変えながら電流を記録していく。

実施時の注意点

光源とそのまわりのフードはかなり温度が高くなる。光源のスイッチを操作する際に触れないように注意する。
電圧ゲインの調整を何回も行う必要があり、慣れるまでに多少時間がかかる。最初にコツを示してやるとよい。

実験結果について

データ集計の詳細については、物理学実験/データの集計についてを参照

標本数

300

平均値

3.43 [Js x 10-34]

標準偏差

0.51 [Js x 10-34]

文献値

6.63 [Js x 10-34]

実験マニュアル

光と電子  pdf (357KB)

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