【高校物理】光電効果やX線の実験の後（？）について教えて下さい。

Question

高校物理を教科書で自学していて、今原子分野をやっています。光電効果では金属から光電子が出ていくし、特性Ｘ線が出るときはターゲットの金属原子の核に近い電子がどっかに飛ばされるんですよね。それらの実験をずっとやっていると、どんどん金属から電子が無くなっていって、金属全体がどんどんプラスに帯電していくと思うのですが、最終的にどうなるのですか？実験が終わってもプラスに帯電したままなのか、どっかから電子を取り込んで電気的に中性の状態にもどるのか。本質とは関係ないことだとはわかっているのですが、気になって仕方ありません。教えて下さい。

yhr2 · Accepted Answer

空気中や物質中には「イオン」や「自由電子」（電気が流れるのはこれのおかげ）がうようよしています。

電子が飛び出して「プラス」になれば、そういう「ふらふら電子」がすぐに引き寄せられてきて取り込まれます。
そして、光電効果などで飛び出した電子が、そういった「ふらふら電子」になります。
世の中は巡り巡っているということです。

そうでないと、「金属全体がどんどんプラスに帯電していく」と同時に、「空気中がどんどんマイナスに帯電していく」ことになっちゃいます。

なお、「特性X線」は、励起状態（高いエネルギー状態）にある「軌道電子」が、基底状態（低いエネルギー状態）に戻ることによって、その「差分のエネルギー」が電磁波の形で放出されるものです。
（軌道電子が「励起状態」となる原因が、外部から衝突してきた電子が軌道電子を跳ね飛ばす場合もありますが、その場合には「飛び込んできた電子」と「跳ね飛ばされた電子」で収支が一致します）

himagene · Answer

理解が違っています。光電効果ではある値以上の光子のエネルギー（振動数）の光を金属に照射した時に金属表面から電子が飛び出し、その時の電子のエネルギーは光子のエネルギーから電子の束縛エネルギーを差し引いた大きさになっています。金属から電子が飛び出すとあなたが考えるように帯電するのである距離（電子のエネルギーに依存）まで行ったら引き返してしたきますが衝突の条件によって元の軌道よりも高い軌道に捕まることもあります。これで中性化は完了です。高いエネルギー状態は一般的にいって不安定なのである一定時間が経つと電子は空席があるもっと低い軌道に移り安定になろうとします。この時に放出するのが蛍光です。エネルギーが高い状態で起こると蛍光はX線領域になり特性X線になります。これが孤立した金属原子の場合です。実際には金属の場合には伝導電子があるので隣の原子から電子が流れ込みますが絶縁物で支持されていれば金属塊は帯電するので上の話と同じことです。光電型電子銃の場合は電極に電圧をかけて飛び出した電子が戻らないようにしますが元の金属には電源から電子が供給されるようになっています。
＞特性Ｘ線が出るときはターゲットの金属原子の核に近い電子がどっかに飛ば・・
この記述が間違いであることがわかったでしょう。

stomachman · Answer

光電効果: 光を受ける金属が真空中に孤立しているものとしますと、当然帯電します。帯電すれば、叩き出された電子はいずれ戻ってくるはずですね。実際の実験装置では金属薄膜は孤立しておらず、大きな容量（例えば地球）に電気的に接続してあるんで帯電が生じない。
X線: 電子線が衝突するターゲットは、わざわざ高電圧をかけて帯電させてある。

hymiya · Answer

特性X線の理解が少し間違えていますが，金属の中には自由電子が存在しますので，イオン化されたままの状態で安定になることはありません。

【高校物理】光電効果やX線の実験の後（？）について教えて下さい。

空気中や物質中には「イオン」や「自由電子」（電気が流れるのはこれのおかげ）がうようよしています。

理解が違っています。

光電効果: 光を受ける金属が真空中に孤立しているものとしますと、当然帯電します。

特性X線の理解が少し間違えていますが，金属の中には自由電子が存在しますので，イオン化されたままの状態で安定になることはありません。

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