高校物理 光電効果

光電効果の実験の問題で
ある時の電圧と流れる電流の関係を下図において青線とした時（V0は阻止電圧）
金属板に当てる光の光子量は変えず波長を小さくした時は赤線のようになるとありました（V0が左にずれるが、飽和電流は同じということ）

しかし自分は、波長を小さくするとエネルギーは大きくなるので、赤線のときに光子からエネルギーをもらっても飛び出すことの出来なかった電子が飛び出せるようになり飽和電流は大きくなると思いました。
（阻止電圧が左にズレることは理解できます。）

自分の考えはどこかおかしいですか？

質問者からの補足コメント

• 光子と電子が一対一関係なのは分かっているつもりです。補足します
  おそらく自分が勘違いしてるとすれば
  
  下図のように、波長が大きいときは光子からエネルギーをもらった電子が仕事関数を超えられないものが存在しているが、波長が小さいと仕事関数を超えられるようになる
  
  と言った部分だと思います。
  これはおかしいですか？二度手間で申し訳ないですがお願いします。

  
  No.1の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2017/09/27 18:53

• こっちは波長が小さいときです
  黄色矢印が光子一個が電子にエネルギーを与えてる様子で、黒矢印は電子がエネルギーを受け取って飛び出そうとしてる様子です

  
    補足日時：2017/09/27 18:55

No.2 ベストアンサー 回答者： yhr2 回答日時： 2017/09/27 20:01

No.1です。

「補足」に書かれたことについて。

＞波長が大きいときは光子からエネルギーをもらった電子が仕事関数を超えられないものが存在しているが、波長が小さいと仕事関数を超えられるようになる

おかしくないです。その通りです。
「波長が小さい」＝「振動数が大きい」ということですから。

ただ、図にかかれてるのは
上：黄色の矢印が６本（光量子が６個）入射しても電子は３個しか飛び出さない。
下：黄色の矢印が６本（光量子が６個）入射して、電子は６個飛び出す。
ということですよね？

光量子仮設では、「上」のような中途半端なことは起こりません。
光量子１個のエネルギーつまり「振動数」が「仕事関数」を超えれば、光量子の個数に対応した電子が飛び出します。（これが下の図に相当）
逆に、光量子１個のエネルギーつまり「振動数」が「仕事関数」よりも小さければ、電子は１個も飛び出しません。もし「上」の図が「仕事関数」よりも小さいエネルギーの光量子を描いているなら、電子は「まったく飛び出さない」という図になります。（光電効果によって「光量子」は消滅してすべてが「エネルギー」になりますから、中途半端に「エネルギーの一部を電子に与える」ということはありません）

そして、下の図で、光を「明るく」すれば（振動数＝1個当たりのエネルギーは同じで光量＝個数を増やす）、同じエネルギーの光量子の個数が10個、20個と増えて、飛び出す電子も10個、20個と増えます。こうなれば「電流」の値は大きくなります。

おそらく、光の
・１個の光量子のエネルギーは振動数で決まる
・光の明るさは光量子の数で決まる
という性質をきちんと理解できていないのではないでしょうか。

「同じエネルギーの光」といった場合に、
(a) １個当たりの光量子のエネルギーは大きい（振動数が大きい）が、個数は少ない
という場合と
(b) １個当たりの光量子のエネルギーは小さい（振動数が小さい）が、個数が多い
という場合があるということです。
光電効果は、「同じエネルギーの光」であっても、(a) では電子が飛び出すが、(b) では電子は飛び出さない、ということなのです。

この回答へのお礼

金属板に存在する電子の位置によって仕事関数が変わる、まさに"中途半端なこと"が起こるのだと、誤解してました。
ほんとうにスッキリしましたありがとうございます。

お礼日時：2017/09/27 21:55

No.3 回答者： tknakamuri 回答日時： 2017/09/27 21:01

飽和電流の大きさというのは、電子の運動エネルギーとは無関係。

単位時間に飛び出してくる電子の「個数」で決まります。

光子によって弾きだされる電子の方向は電場の方向とは無関係だからです。

1個の光子は最大で1個の光子としか相互作用しないので
飽和電流とは全ての入射した光子がー個ずつ電子を弾きだした
場合の電流です。だから飽和するのです。

あなたの質問の「光子量」というのが、単位時間あたりの光子の個数
のことなら、これが変わらない場合、飽和電流は変化しません。

No.1 回答者： yhr2 回答日時： 2017/09/27 18:34

＞赤線のときに光子からエネルギーをもらっても飛び出すことの出来なかった電子が飛び出せるようになり飽和電流は大きくなると思いました。

　光電効果、およびそれを説明する「光量子仮説」とは何か、という本質がわかっていないということですね。

　光電効果は、「光は、振動数で決まるエネルギー持った粒子である」という光量子仮説で説明できる現象です。このエネルギーが一定値を超えると、電子をたたき出すということです。つまり「光量子」１個につき、たたき出される電子も１個です。エネルギーを大きくしても、「飛び出す電子の運動エネルギー」が大きくなるだけで、電子の個数は増えません。

　電子の個数を増やしたければ、「振動数」ではなく、光の量（光の強度、明るさ）を大きくしなければなりません。
（「電流」の大きさとは、要するに電子の個数です）

　逆に言うと、振動数の小さな光だと、いくら強度（光の量、明るさ）を大きくしても電子は飛び出さない、というのが、「光量子仮説」の「ミソ」なのです。