光電効果のソースを表示

{{読み仮名|'''光電効果'''|こうでんこうか|{{lang-en-short|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<ref group="注">JIS C 8960「太陽光発電用語」において、光起電力効果と呼ばれている。</ref>。

== 外部光電効果 ==
[[File:Photoelectric effect in a solid - diagram.svg|200 px|thumb|'''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]]（{{lang-en-short|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]] {{math|''&nu;''{{Sub|0}}}} と言う。またその時の波長を[[限界波長]] {{math|''&lambda;''{{Sub|0}}}} 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]] {{mvar|&phi;}} で表すことができ、{{math|''&nu;''{{sub|0}}}} と {{math|''&lambda;''{{Sub|0}}}} を用いて書くと、{{Mvar|c}} を[[光速]]、{{Mvar|e}} を[[電気素量]]として
: <math>h\nu_0=\frac{ch}{\lambda_0}=e\varphi</math>
と表される。

=== 応用例 ===
外部光電効果の応用例としては、外部光電効果型の[[光検知器|光センサ]]（[[光電管]]、[[光電子増倍管]]や[[撮像管]]など）がある。光電面には[[仕事関数]]の小さい[[アルカリ金属]]が用いられる。内部光電効果を利用したものに比べて[[暗電流]]が少ない、[[線形性]]が良いなどの特徴を持ち、光やX線の高感度検出や精密測定に用いられる。特に[[光電子増倍管]]は汎用の超高感度光センサとしての用途が広く、[[原子吸光|原子吸光分析法]]等、各種の研究開発や工業生産・測定などの現場で利用されている。<!--さすがに応用現場まで挙げるのは冗長なので推敲：ニュートリノ観測の[[カミオカンデ]]や[[スーパーカミオカンデ]]にも使用されている。-->

また、放出された[[光電子]]のエネルギーや運動量を調べることで物質内部の[[バンド構造]]や表面状態などを調べられるため、[[光電子分光法]]などの分析手法にも応用される。

== 内部光電効果 ==
[[File:Photoelectric-J.PNG|thumb|right|200 px|'''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'''（{{lang-en-short|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'''（{{lang-en-short|photoconductivity}}）、'''光導電性'''という。この時の電気伝導率の増加は、[[半導体#半導体の型|キャリア]]の電荷を {{Mvar|e}}、キャリアの寿命を {{mvar|&tau;}}、移動度を {{mvar|&mu;}}、体積・時間あたりの光子数を {{Mvar|f}}、1光子あたりに生じるキャリア数（[[量子効率]]）を {{mvar|&eta;}} として
{{Indent|<math>\Delta\sigma=e\tau\mu\eta f</math>}}
で表される。この効果は[[半導体]]のみならず、酸化物や硫化物、有機物など非常に多様な物質で見られる。

=== 応用例 ===
一般に内部光電効果を用いた場合、低電圧で駆動可能、小型化しやすい、丈夫で長寿命、などの利点が得られる。

* 内部光電効果型の光センサ
** [[フォトダイオード]]や[[固体撮像素子]] (カメラの[[CCD]]、[[CMOS]]イメージセンサ)など、[[PN接合|接合]]を用いた半導体[[光センサ]]
** [[硫化カドミウム]]などを用いた[[光導電セル]]
* [[セレン]]を用いた[[写真フィルム|撮影用フィルム]]の[[感光材]]、[[複写機]]の[[感光ドラム]]など
* [[太陽電池]]

== 歴史 ==
[[1839年]]、[[アレクサンドル・エドモン・ベクレル]]が[[光起電力効果]]の研究において、光電効果による光と電流の関係性を見いだした<ref>{{Harvtxt|Becquerel|1839}}</ref><ref name="Williams">{{Harvtxt|Williams|1959}}</ref>。これは薄い[[塩化銀]]で覆われた[[白金]]の2つの電極を電解液に浸し、片方に光を照射すると[[光電流]]が生じる現象（ベクレル効果）として見いだされ、[[光起電力効果]]に関する最初の報告となった<ref name="SolarCells">{{Harvtxt|Partain|Fraas|2010}}</ref>{{R|Williams}}。

[[1887年]]、[[ドイツ]]の[[物理学者]][[ハインリヒ・ヘルツ|ヘルツ]]は、[[陰極]]に[[紫外線]]を照射することにより、電極間の放電現象が起こって電圧が下がる現象として、光電効果を見出した<ref>{{Harvtxt|Hertz|1887}}</ref>。

翌[[1888年]]、[[金属]]に短波長の（振動数の大きな）[[光]]を照射すると、[[電子]]が表面から飛び出す現象がドイツの物理学者{{仮リンク|ヴィルヘルム・ハルヴァックス|en|Wilhelm Hallwachs}}によって発見された。

その後、ドイツの物理学者[[フィリップ・レーナルト|レーナルト]]の研究によって解明が進み、

* 電子の放出は、ある一定以上大きな[[振動数]]の[[光]]でなければ起こらず、それ以下の振動数の光をいくら当てても電子は飛び出してこない。
* 振動数の大きい光を当てると光電子の[[運動エネルギー]]は変わるが飛び出す電子の数に変化はない
* 強い光を当てるとたくさんの電子が飛び出すが、電子1個あたりの運動エネルギーに変化はない

などの事実が実験により明らかにされた。

この現象は、[[19世紀]]の物理学では説明することのできない難題であったが、[[1905年]]、[[物理学者]]の[[アルベルト・アインシュタイン]]が自身の論文『光の発生と変換に関する1つの発見的な見地について』内で導入した光量子仮説によって、説明付けられた<ref>{{Harvtxt|Einstein|1905}}</ref>{{Refnest|group="注"|タイトルの日本語訳は『アインシュタイン選集1』<ref>{{Harvtxt|Einstein|1971}}</ref>およびこの書籍を参考文献としているウェブサイト<ref>{{Harvtxt|Shinkai|2005}}</ref>から取っている。}}。1916年、[[アメリカ合衆国]]の物理学者[[ロバート・ミリカン]]の実験により光量子仮説が証明され、アインシュタインはこの業績によって[[1921年]]に[[ノーベル物理学賞]]を受賞している<ref>{{Cite news|url=http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1921/|language=[[英語]]|title=The Nobel Prize in Physics 1921|publisher=[[ノーベル賞]]の公式ウェブサイト}}</ref><ref group="注">この授賞については、本来授賞理由とされるべきであった[[相対性理論]]に対して、当時（実は現代も）は懐疑的・否定的な意見（[[相対性理論#反「相対性理論」]]を参照）、あるいは新発見ではなく単なる物理学の解釈に過ぎないという意見があった事から、名目上は光電効果研究が授賞理由にされたと言われている。</ref>。

アインシュタインが光量子仮説を導入するまでは以下のような考え方があった。
* [[波動]]の観点から考える。光が金属面に当たると、光の電磁場によって金属内の[[電子]]が激しく揺さぶられエネルギーが与えられる。電子のエネルギーがある限界を超えると電子は金属面から飛び出す。この時、電子に与えられるエネルギーは光の電磁場の強さの2乗に比例するはずである<ref group="注">電磁気学により電磁波のエネルギーは振幅の二乗に比例することが分かっている。（振動数には関係がない）因みに、古典力学によれば、力学的波動（質点が運動する運動）のエネルギーは振幅の二乗と振動数の二乗の両方に比例する（出典:https://eman-physics.net/dynamics/wave_energy.html）</ref>。よって、放出される光電子のエネルギーは入射光の強度に依存するはずである。

しかし、レーナルトの実験によると[[光電子]]のエネルギーは入射光の強度には依存せず強度を増すと光電子の数だけが増し、また、入射光の振動数の増大とともに[[光電子]]のエネルギーが増すことが分かっているので、光の波動論と実験事実は矛盾する。
* 波動の観点とは違い、光はただ[[電子]]を放出するだけの役割を担っているという考え方も存在した。光が電子を放出し、電子はエネルギーを金属内の熱エネルギーから受け取ることにより光電効果が起こると推測された。

しかし、この推測では光電子のエネルギーが入射光の[[振動数]]に依存するということの説明ができていない。また、この推測が正しい場合、光電効果は金属の温度に強く依存するはずであるが、実際はそうではなく、この推測も事実と矛盾する。

==仕事関数==
[[光子]]が吸収されるときのエネルギーは、一般的な場合にはアインシュタインの方程式と呼ばれる次の方程式で表現できる。
{{Indent|<math>h\nu=P_1+P_2+eV</math>}}
ここで {{math|''P''{{Sub|1}}}} は[[電子]]を原子から引き離すエネルギー（[[イオン化エネルギー]]）、{{math|''P''{{Sub|2}}}} は物体表面から電子を飛び出させる仕事、{{Mvar|eV}} は解放された[[光電子]]の[[運動エネルギー]]である。金属の特徴として、その中に多量の[[自由電子]]を有している。自由電子はすでに原子から離れて、金属内を自由に運動しているので金属に対して {{math|''P''{{Sub|1}} {{=}} 0}} と考えることができる。そのかわり、金属表面から電子が飛び出すためには、金属内部に閉じ込められている場に打ち勝たねばならない。これに打ち勝つために費やす仕事が[[仕事関数]] {{math|''P''{{Sub|2}}}} である。金属の場合、アインシュタインの方程式は次のようになる。
{{Indent|<math>h\nu=P_2+eV</math>}}
もし、{{math|''h&nu;'' &lt; ''P''{{Sub|2}}}} ならば電子は金属表面から飛び出せず、光電効果は起こらない。これはある最小の振動数、{{math|''&nu;''{{Sub|0}}}} があり、{{math|''&nu;''{{Sub|0}}}} では光電効果を起こすことができるが、それ以下の振動数では光電効果を観測できない。なお、仕事関数は熱電子に関する実験から求めることができる。

==ミリカンの実験==
[[File:セミナー12.jpg|200px|thumb|'''ミリカンの実験装置の略図''']]
[[ロバート・ミリカン|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 {{Mvar|E{{sub|k}}}}、[[電界]]が電子にする仕事を {{Mvar|eV}} とする。もし、 {{Math|''eV'' &gt; ''E{{sub|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 {{Math|''V''{{sub|0}}}} とすると、アインシュタインの方程式 {{math|''h''&nu; {{=}} ''P''{{Sub|2}} + ''eV''}} より
{{Indent|<math>\begin{align}&eV_0=h\nu-P_2\\
&V_0=\frac{h}{e}\nu-\frac{W}{e}\end{align}</math>}}
となる。この {{Math|''V''{{sub|0}}}} を照射光の[[振動数]] ν に対するグラフとして描き、そのグラフの傾き {{Mvar|{{Sfrac|h|e}}}} からミリカンはプランク定数を求めることができた。ミリカンが光電効果から求めたプランク定数は
{{Indent|{{Math|''h'' {{=}} {{Val|6.56|e=-34|u=J•s}}}}}}
となり、[[黒体|黒体輻射]]の実験から求めたプランク定数
{{Indent|{{Math|''h'' {{=}} {{Val|6.558|e=-34|u=J•s}}}}}}
とほぼ一致している。

==脚注==
=== 注釈 ===
{{Reflist|group="注"}}
=== 出典 ===
{{Reflist|2}}

==参考文献==
=== 原論文 ===
* {{cite journal|first=A.|last=Einstein|authorlink=アルベルト・アインシュタイン|title=Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt|url=http://www.physik.uni-augsburg.de/annalen/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf|format=[[Portable Document Format|PDF]]|trans-title=光の発生と変換に関する1つの発見的な見地について|journal=[[アナーレン・デア・フィジーク|Annalen der Physik]]|series=Ser. 4|publisher={{仮リンク|Wiley-VCH Verlag|de|Wiley-VCH Verlag|en|Wiley-VCH}}|location=[[ヴァインハイム|Weinheim]]|language=[[ドイツ語|German]]|volume=322|issue=6|pages=132–148|date=March 17, 1905|lccn=50013519|issn=0003-3804|oclc=5854993|doi=10.1002/andp.19053220607|bibcode=1905AnP...322..132E|ref=harv}}
* {{cite journal|title=Mémoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires|first=Alexandre Edmont|last=Becquerel|authorlink=アレクサンドル・エドモン・ベクレル|journal=Comptes Rendus|year=1839|volume=9|pages=561–567|url=http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k2968p/f561.chemindefer|ref=harv}}
* {{cite journal|title=Becquerel Photovoltaic Effect in Binary Compounds|last=Williams|first=Richard|journal=The Journal of Chemical Physics|date=10 December 1959|volume=32|issue=5|pages=1505–1514|doi=10.1063/1.1730950|bibcode=1960JChPh..32.1505W|ref=harv}}
* {{Cite journal|last=Hertz|first=H.R.|authorlink=ハインリヒ・ヘルツ|url=http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/andp.18872670827/pdf|title=Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung|format=[[Portable Document Format|PDF]]|journal=[[Annalen der Physik]]|volume=267|issue=8|pages=983-1000|date=June 1887|lccn=50013519|issn=0003-3804|oclc=5854993|doi=10.1002/andp.18872670827|ref=harv}}

=== 書籍 ===
; 洋書
* {{citation|title=The electron and the light-quant from the experimental point of view|author=Robert A. Millikan|authorlink=ロバート・ミリカン|pages=54-66|date=May 23, 1924|url=https://web.archive.org/web/20160812201010/http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1923/millikan-lecture.pdf|format=[[Portable Document Format|PDF]]}}
* {{Cite book|last1=Partain|first1=L. D.|last2=Fraas|first2=Lewis M|title=Solar Cells and their Applications|edition=2nd|series=Wiley Series in Microwave and Optical Engineering|publisher=ワイリー出版|date=October 11, 2010|id={{ASIN|B005CCZ7OA}} ([[Amazon Kindle|Kindle]])|isbn=978-0-470-44633-1|ncid=BB03555556|oclc=665868982|lccn=2010000196|asin=0470446331|ref=harv}}
; 和書
* {{cite book|和書|author=小出 昭一郎|authorlink=小出昭一郎|title=物理学|publisher=裳華房|edition=三訂版|year=1997|ref=小出(1997)}}
* {{cite book|和書|author=シュポルスキー|title=原子物理学Ⅰ|edition=増訂新版|translator=[[玉木英彦]]他|publisher=東京図書|year=1996}}
* {{cite book|和書|author=高岡 健次郎|title=わかりやすい量子力学入門 原子の世界の謎を解く|publisher=[[丸善]]|year=2003}}
* {{cite book|和書|title=物理学史Ⅱ|author=広重 徹|authorlink=広重徹|series=新物理学シリーズ 6|publisher=[[培風館]]|date=1968-03|origdate=1967|id={{全国書誌番号|68001733}}|isbn=4563024066|ncid=BN00957321|oclc=673599647|asin=4563024066|ref=広重(1967)}}
* {{Cite book|和書|first=A.|last=Einstein|authorlink=アルベルト・アインシュタイン|others=[[湯川秀樹]]監修|editor=[[中村誠太郎]]・[[谷川安孝]]・井上健訳・編|date=1971-03-01|title=アインシュタイン選集1―特殊相対性理論・量子論・ブラウン運動―|publisher=[[共立出版]]|id={{全国書誌番号|69018983}}|isbn=978-4-320-03019-0|url=http://www.kyoritsu-pub.co.jp/bookdetail/9784320030190|ncid=BN00729724|asin=4320030192|oclc=834568557|ref=harv}}

== 関連項目 ==
* [[光の粒子説]]
* [[光化学]]
* [[光]] - [[光子]] - [[電子]]
* [[金属]] - [[半導体]] - [[絶縁体]]
* [[バンド理論]] - [[伝導帯]] - [[価電子帯]]
*[[光起電力効果]]
*[[光電子増倍素子]]
*[[光電子増倍管]]
*[[撮像素子]]

== 外部リンク ==
* {{Cite web|和書|url=http://www.einstein1905.info/einstein/life.html|title=Albert Einsteinの生涯と代表論文 年表|first=Hisaaki|last=Shinkai|authorlink=真貝寿明|work=Einstein 1905「数理科学/宇宙物理」研究の最新情報と「研究者/研究生活」に関する情報サイト|date=2005-07-09|year=2005|accessdate=2016-11-18|ref=harv}}
* {{Kotobank|2=日本大百科全書}}

{{Normdaten}}
{{DEFAULTSORT:こうてんこうか}}
[[Category:物理化学の現象]]
[[Category:半導体]]
[[Category:エネルギー変換]]