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原子と量子の入口md 6737bf7
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原子げんしと量子りょうしの入口いりぐち

date2026-07-14document_iddoc_eb2116d43f03320c3bdbc8478d58e1b8description光電効果と線スペクトルを、光子エネルギーとエネルギー準位の仮定から証明付きで整理する講義である。prerequisites波の基本 / 仕事と力学的エネルギー / 電場と電位type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/modern/modern-physics-portal.lecture.n.md / data/lecture/physics/modern/bohr-model-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/modern/matter-waves-and-uncertainty-relation.lecture.n.md / data/lecture/physics/optics/light-and-lenses.lecture.n.md
physicsmodernquantumphotoelectric-effectlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、光ひかりと原子げんしの相互作用そうごさようにおいて、エネルギーが hν を単位たんいとする光子こうしとして授受じゅじゅされることを説明せつめいする。

古典的こてんてきな波なみの考かんがえだけなら、光ひかりを強つよくすれば電子でんしへ渡わたすエネルギーも連続的れんぞくてきに増ふえるはずである。しかし光電効果こうでんこうかでは、光ひかりの強つよさより振動数しんどうすうが決定的けっていてきである。この事実じじつを整理せいりするために、光子こうしとエネルギー準位じゅんいを導入どうにゅうする。

2用語ようごと定義ていぎ

光子こうしphotonとは、光ひかりのエネルギーを運はこぶ量子りょうしである。この講義こうぎでは、振動数しんどうすう ν の光子こうし 1 個このエネルギーを

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]E=hν

と置おく。h はプランク定数ていすうである。

仕事関数しごとかんすうwork function W とは、金属きんぞくの表面ひょうめんから電子でんし 1 個こを取とり出だすために必要ひつような最小さいしょうエネルギーである。

光電効果こうでんこうかphotoelectric effectとは、金属きんぞくに光ひかりを当あてると電子でんしが放出ほうしゅつされる現象げんしょうである。放出ほうしゅつされた電子でんしを光電子こうでんしphotoelectronという。

エネルギー準位じゅんいenergy levelとは、原子げんしの中なかで電子でんしが取とれる離散的りさんてきなエネルギーの値あたいである。

3方針ほうしん

光電効果こうでんこうかでは、入射にゅうしゃする光子こうし 1 個このエネルギー hν を、電子でんしを取とり出だすための W と、飛とび出だした後あとの運動うんどうエネルギーに分わける。

線せんスペクトルでは、原子げんしのエネルギー準位じゅんいの差さが光子こうしのエネルギーになると考かんがえる。

この 2 つは別々べつべつの公式こうしきではない。どちらも

光子のエネルギー=hν

をエネルギー保存ほぞんに入いれたものである。

4関係式かんけいしき 1:光電効果こうでんこうかのエネルギー収支しゅうし

仕事関数しごとかんすうが W の金属きんぞくに、振動数しんどうすう ν の光ひかりを当あてる。光子こうし 1 個こが電子でんし 1 個こへエネルギーを渡わたすと仮定かていすると、光電子こうでんしの最大さいだい運動うんどうエネルギーは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Kmax=hν-W

である。ただし hν[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]W の場合ばあいに限かぎる。

4.1証明しょうめい

仮定かていより、入射にゅうしゃした光子こうし 1 個こはエネルギー hν を持もつ。電子でんしが金属きんぞくから外そとへ出でるには、少すくなくとも仕事関数しごとかんすう W が必要ひつようである。

電子でんしが表面ひょうめんから最もっとも有利ゆうりな条件じょうけんで出でるとき、残のこったエネルギーが最大さいだいの運動うんどうエネルギーになる。したがってエネルギー保存ほぞんより

hν=W+Kmax

である。整理せいりして

Kmax=hν-W

を得える。もし hν<W なら、電子でんしを取とり出だすための最小さいしょうエネルギーに届とどかないため、放出ほうしゅつは起おこらない。

5関係式かんけいしき 2:限界振動数げんかいしんどうすう

光電子こうでんしが放出ほうしゅつされるための最小さいしょうの振動数しんどうすうを ν0 とすると、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ν0=Wh

である。

5.1証明しょうめい

放出ほうしゅつがちょうど始はじまる境目さかいめでは、光電子こうでんしは外そとへ出でるだけで、最大さいだい運動うんどうエネルギーは 0 である。したがって関係式かんけいしき 1 に Kmax=0 を代入だいにゅうすると、

0=hν0-W

である。よって

ν0=Wh

を得える。

6関係式かんけいしき 3:停止電圧ていしでんあつと最大さいだい運動うんどうエネルギー

電気量でんきりょうの大おおきさが e の電子でんしを停止ていしさせる電圧でんあつを V0 とすると、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]eV0=Kmax

である。

6.1証明しょうめい

電荷でんかの大おおきさ e をもつ粒子りゅうしが電位差でんいさ V0 に逆さからって進すすむと、電場でんばから eV0 のエネルギーだけ減速げんそくさせられる。

最大さいだい運動うんどうエネルギー Kmax をもつ光電子こうでんしが、ちょうど電極でんきょくに届とどかなくなる条件じょうけんでは、初はじめの運動うんどうエネルギーが電気的でんきてきなエネルギー増加ぞうかと等ひとしい。したがって

Kmax=eV0

である。

7関係式かんけいしき 4:線せんスペクトルとエネルギー準位じゅんい

原子げんしの高たかいエネルギー準位じゅんい Em から低ひくいエネルギー準位じゅんい En へ遷移せんいするとき、放出ほうしゅつされる光ひかりの振動数しんどうすう ν は

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]hν=Em-En

を満みたす。ただし Em>En とする。

7.1証明しょうめい

遷移前せんいまえの原子げんしのエネルギーは Em であり、遷移後せんいごのエネルギーは En である。差さ

Em-En

は原子げんしから外部がいぶへ出でるエネルギーである。放出ほうしゅつされるものが振動数しんどうすう ν の光子こうし 1 個こなら、そのエネルギーは hν である。エネルギー保存ほぞんより

hν=Em-En

を得える。

8直感的ちょっかんてきな整理せいり

光電効果こうでんこうかでは、光ひかりの強つよさは光子こうしの個数こすうに主おもに関係かんけいする。振動数しんどうすうは光子こうし 1 個こあたりのエネルギーに関係かんけいする。そのため、振動数しんどうすうが小ちいさすぎると、どれだけ強つよい光ひかりを当あてても 1 個この光子こうしが電子でんしを取とり出だせない。

線せんスペクトルでは、原子げんしが出だせる光ひかりのエネルギーが準位じゅんいの差さに限かぎられる。そのため、波長はちょうや色いろも連続的れんぞくてきではなく飛とび飛とびになる。

9見分みわけ方かた

  • 光電効果こうでんこうか、仕事関数しごとかんすう、限界振動数げんかいしんどうすうが出でたら Kmax=hν-W を立たてる。
  • 停止電圧ていしでんあつが出でたら eV0=Kmax を使つかう。
  • 線せんスペクトル、発光はっこう、吸収きゅうしゅうが問とわれたら、エネルギー準位じゅんいの差さと hν を対応たいおうさせる。

10どこまで成立せいりつするか

E=hν は、この講義こうぎでは量子論りょうしろんの基本仮定きほんかていとして使つかう。古典物理こてんぶつりだけから証明しょうめいするものではない。また、実際じっさいの金属きんぞくでは電子でんしの表面ひょうめんまでの位置いちや散乱さんらんにより、光電子こうでんしの運動うんどうエネルギーには幅はばがある。式しき Kmax=hν-W は、その最大値さいだいちに対たいする関係かんけいである。

11最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]E=hν
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Kmax=hν-W
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ν0=Wh
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]hν=Em-En

12一言ひとこと

光ひかりと原子げんしの現象げんしょうでは、エネルギー保存ほぞんを hν という光子こうしの単位たんいで読よむ。

13関連かんれんリンク

data/lecture/physics/modern/bohr-model-basics.lecture.n.md data/lecture/physics/modern/matter-waves-and-uncertainty-relation.lecture.n.md data/lecture/physics/optics/light-and-lenses.lecture.n.md
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