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物理の質問です

写真の⑴の解説で、グラフの直線と横軸との交点が限界振動数νとなるのがなぜか分からないです。教えてください!

「物理の質問です 写真の⑴の解説で、グラフ」の質問画像
gooドクター

A 回答 (3件)

そもそも「図1」と「図2」の見方が分かっていないみたいですね。



図2は、ひとつの現象の中で、何かを徐々に変化させていったら、それにつられて何かがだんだん変化していった、という「変化の軌跡」を書いているものではありません。
「ある振動数の光を当てたとき、どれだけの電圧を与えたら電流が 0 になったか」という「電圧値」を、いろいろな波長の光を使って測定してみて、その結果を「グラフ用紙に点として書いてみた」というものです。その「点」を滑らかにつないでみたら、図2のような「直線」になった、ということです。

図2の縦軸の「Ve」は、図1のような実験装置で、ある振動数の光を当てたときに、「V」の電圧を変化させると「A」の電流が変化するので、その「A の電流」がゼロになるときの「V」の値です。
特定の振動数の光を当てたときに、「A の電流」がゼロになるときの「V」の値(それが「Ve」)を読み取って、「その光の振動数」と「電流がゼロになるときの V の値」を図2の上に「点」として記録します。
次に、別な振動数の光を当て、同様に「A の電流」がゼロになるときの「V」の値(それが「Ve」)を読み取って、図2の上に「点」として記録します。
それを、いろいろな振動数の光について測定した結果、図2の上にたくさんの「点」として記録されることになります。それらの「点」を滑らかにつないで「線」にしたのが図2なのです。

では、図1の実験装置では何をしているのでしょうか。
ここで、金属に「光」を当てると電子が飛び出す「光電効果」というものが知られています。
一般には「強い光」(明るい光)を当てれば電子はたくさん飛び出し、「弱い光」(暗い光)を当てれば飛び出す電子は少ないです。飛び出す電子のエネルギーは、「光の強さ」で決まるように思えます。
ところが、実際にやってみると、ある振動数の光では、いくら光を強く(明るく)しても電子が飛び出さないこともあるのです。
それを調べるのが図1の実験装置。
光を当てると、電子がエネルギーを持って飛び出してきます。その電子は「電流」となって流れます。
そこに逆電圧をかけてやると、電子の持つエネルギーより大きな逆電圧だと、電子は押し戻されて「電流」として流れません。この「電流がゼロになる逆電圧の大きさ」が「飛び出した電子のエネルギー」に相当することになります。
つまり、図1の実験装置は、「ある振動数の光を当てたときに、飛び出す電子のエネルギー」を測定しようとしているものです。
光の「強さ(明るさ)」を変えたときに、飛び出す電子のエネルギーがどうなるかも調べられます。
調べてみると、光の「強さ(明るさ)」をいくら大きくしても、飛び出す電子のエネルギーは変わらないことが実験結果として得られるのです。
そして、光の「振動数」を変えると、飛び出す電子のエネルギーが変わる。
図2は、その結果を表わしています。そして「この振動数以下の光では、電子が飛び出さない」ということも分かります。その振動数を「限界振動数」と呼んでいます。

「グラフの直線と横軸との交点が限界振動数νとなるのがなぜか」というのは論理が逆で、実験結果を見ると「一定の振動数以下の光では、電子が飛び出さない」ということが分かり、その振動数を「限界振動数と名付けた」ということなのです。

下記に、少しわかりやすい「実験の解説」があるので、参考にしてください。

https://wakariyasui.sakura.ne.jp/p/atom/ryuuha/k …


なぜそのような振動数が存在するのかというのは「不思議」なことで、20世紀初めには「謎」でしたが、アインシュタインは「光が粒子である」と仮定すると説明できる、という「光量子仮説」を1905年に発表し、それによってノーベル賞を受賞しています(受賞したのは 1921年)。
それまで「光は波である」とされていたので(実際に、干渉縞や屈折、虹などは「波動」で説明される)、「光は粒子でもある」というのは、かなり突拍子もない奇抜な発想だったと思います。人間の五感では「波であり、同時に粒子である」ということを直感的に理解・認識することは不可能でしょう。
図1、図2の実験やその結果は、それほどまでに「革命的」なものなので、高校生(ですね?)が理解したり、その「ありがたみ」を感じるのは少し無理かもしれません。なんせノーベル賞級の話ですから。(ちなみに、アインシュタインがノーベル賞を受賞した理由は、この「光量子仮説」に対してであって、「相対性理論」に対してではありません)

少しでも理解の参考になれば。
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この回答へのお礼

助かりました

お礼がとても遅くなってしまってごめんなさい!お時間割いて詳しく教えてくださり、本当にありがとうございました!理解できました!

お礼日時:2021/06/05 01:50

金属に光を当てると 光子のエネルギー hv が金属の自由電子に


与えられるけど、電子は金属から飛び出すのに、
金属固有の値であるエネルギー Wが必要。

つまり hv - W > 0 の時 電子が飛び出してくる。

hv - W = 0 の時の v より v が大きくなると 電子が飛び出すから
hv - W = 0 の時の v を 限界振動数 と呼びます。
これが分かれば W を算出できます。
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この回答へのお礼

ありがとう

お礼がとても遅くなってしまってごめんなさい!お時間割いて教えてくださり、本当にありがとうございます!理解できました!

お礼日時:2021/06/05 01:49

質問に素直に答えると、グラフの直線と横軸との交点を限界振動数と定義しているからです。


なぜ、限界振動数が存在するのか?という問いに対してであれば、次の様になります。金属表面から光電子が飛び出す時には仕事関数W以上のエネルギーが必要であるため、限界振動数(限界波長)が存在することから「光はそれぞれの振動数(波長)に応じたエネルギーを持っている」ということがわかります。因みに、このことを数式を使って説明した人がアインシュタインでありこのことでノーベル賞をもらっています。それまでは光のエネルギーは光の電場強度の2乗であると考えられていたので限界振動数の存在を説明できませんでした。
これでお分かりのように、光のエネルギーは「光子のエネルギーhν×光子の数N」=「光の電場の振幅の2乗の平均」になります。
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この回答へのお礼

ありがとう

お礼がとても遅くなってしまってごめんなさい!お時間割いて教えてくださり、本当にありがとうございます!理解できました!

お礼日時:2021/06/05 01:48

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