光電効果

光電子放出はあらゆる物質で起こり得る現象ですが、金属やその他の導体で最も容易に観測されます。これは、光電子放出によって電荷の不均衡が生じ、電流によって中和されない場合、放出が完全に停止するまで電位障壁が上昇し続けるためです。光電子放出に対するエネルギー障壁は、通常、金属表面の非導電性酸化物層によって増大するため、光電効果を利用した実用的な実験や装置では、真空管内の清浄な金属表面が使用されます。真空は、電極間の電子の流れをガスが妨げるのを防ぐため、電子の観測にも役立ちます。

太陽光は、紫外線の不均一で変動する光源です。雲量、オゾン濃度、高度、地表面反射率などによって紫外線の量は変化します。実験室での紫外線光源は、キセノンアークランプ、またはより均一だが弱い光を得るために蛍光灯に基づいています。^{[ 6 ]} より特殊な光源には、紫外線レーザー^{[ 7 ]}やシンクロトロン放射^{[ 8 ]}などがあります。

光電効果を観察するための古典的な構成は、光源、光を単色化するためのフィルター、紫外線に対して透明な真空管、光にさらされる発光電極（E）、および電圧VCを外部から制御できるコレクタ（C）_から構成される。

正の外部電圧を印加することで、光電子をコレクタに誘導します。入射光の周波数と強度が一定の場合、正電圧の上昇に伴い、より多くの電子が電極に誘導されるため、光電流Iは増加します。これ以上光電子を収集できなくなると、光電流は飽和値に達します。この電流は、光の強度が増加するにつれてのみ増加します。

負の電圧が増加すると、最もエネルギーの高い電子以外はすべてコレクターに到達できなくなります。管に電流が流れないときは、負の電圧が運動エネルギーK _maxの最もエネルギーの高い光電子を減速させて停止させるのに十分な高さに達したことを意味します。この減速電圧の値は、阻止電位またはカットオフ電位V _oと呼ばれます。^{[ 9 ]}電荷eの電子を停止させる減速電位の仕事はeV _oであるため、次の関係が成り立たなければなりません。eV _o  = K _max。 

電流-電圧曲線はS字型になるが、その正確な形状は実験の幾何学的配置と電極材料の特性によって異なる。

特定の金属表面に対しては、入射光の周波数に一定の最小値が存在し、それ以下の周波数では光電子は放出されません。この周波数を閾値周波数と呼びます。入射光の周波数を上げると、放出される光電子の最大運動エネルギーが増加するため、阻止電圧を上げる必要があります。また、各光子から放出される電子の確率は光子エネルギーの関数であるため、放出される電子の数も変化する可能性があります。

同じ単色光の強度が増加すると（強度が高すぎない限り^{[ 10 ]}）、一定時間内に表面に入射する光子の数に比例して、電子が放出される速度（光電流I）は増加するが、光電子の運動エネルギーと阻止電圧は変わらない。特定の金属と入射放射線の周波数の場合、光電子が放出される速度は入射光の強度に直接比例する。

放射線の入射から光電子の放出までの時間差は非常に小さく、10⁻⁹秒未満です^。光電子の角度分布は、入射光の偏光（電場の方向）だけでなく、原子や分子の軌道対称性、結晶固体の電子バンド構造などの発光物質の量子特性にも大きく依存します。巨視的な秩序のない物質では、電子の分布は直線偏光の偏光方向にピークを持つ傾向があります。^{[ 11 ]}これらの分布を測定して物質の特性を推測できる実験手法は、角度分解光電子分光法です。

1905年、アルバート・アインシュタインは、光は光子または光量子と呼ばれる微小なエネルギーの塊から構成されているという概念を用いて、光電効果の理論を提唱した。それぞれのエネルギーの塊はエネルギーを運んでいる。${\displaystyle h\nu }$それは周波数に比例する${\displaystyle \nu }$対応する電磁波の比例定数${\displaystyle h}$プランク定数として知られるようになった。エネルギー光子の吸収によって様々な原子結合から取り除かれる電子の運動エネルギーの範囲。${\displaystyle h\nu }$最高の運動エネルギー$\displaystyle K_{\max }}$は $${\displaystyle K_{\max }=h\,\nu -W.}$$ ここ、${\displaystyle W}$は、材料の表面から電子を取り除くのに必要な最小エネルギーです。これは表面の仕事関数と呼ばれ、時には と表記されます。${\displaystyle \Phi }$または${\displaystyle \varphi }$[ ^{12 ]}仕事関数が次のように書かれている ^場合$${\displaystyle W=h\,\nu _{o},}$$ 放出された電子の最大運動エネルギーの式は次のようになる。 $${\displaystyle K_{\max }=h\left(\nu -\nu _{o}\right).}$$

運動エネルギーは正であり、${\displaystyle \nu >\nu _{o}}$光電効果が発生するためには周波数が必要である。 ^{[ 13 ]}$\displaystyle \nu _{o}}$は、その材料のしきい値周波数です。その周波数を超えると、光電子の最大運動エネルギーと実験における阻止電圧が上昇します。${\textstyle V_{o}={\frac {h}{e}}\left(\nu -\nu _{o}\right)}$周波数に比例して直線的に増加し、入射する単色光の光子数や強度には依存しない。アインシュタインの公式は、いかに単純であっても、光電効果のあらゆる現象を説明し、量子力学の発展に広範な影響を与えた。

原子、分子、固体に束縛されている電子はそれぞれ、明確に定義された結合エネルギーの異なる状態を占めています。光量子が個々の電子にこの量を超えるエネルギーを与えると、電子は余剰の（運動）エネルギーを持って自由空間に放出される可能性があります。${\displaystyle h\nu }$電子の結合エネルギーよりも高い。したがって、運動エネルギーの分布は、原子、分子、または結晶系における電子の結合エネルギーの分布を反映している。結合エネルギーの状態から放出された電子は、${\displaystyle E_{B}}$運動エネルギーで見つかる${\displaystyle E_{k}=h\nu -E_{B}}$この分布は量子系の主要な特徴の一つであり、量子化学や量子物理学におけるさらなる研究に利用できる。

1839年、アレクサンドル・エドモン・ベクレルは、電解セルに対する光の影響を研究している際に、関連する光起電力効果を発見した。^{[ 19 ]}光電効果とは同等ではないものの、彼の光起電力に関する研究は、光と物質の電子特性との間に強い関係があることを示す上で重要な役割を果たした。1873年、ウィロビー・スミスは、海底電信ケーブルに関する研究に関連して、セレンの高抵抗特性をテストしている際に、セレンの光伝導性を発見した。 ^{[ 20 ]}

ハイデルベルクの学生であったヨハン・エルスター（1854–1920）とハンス・ガイテル（1855–1923）は、帯電した物体に光が及ぼす影響を調査し、光の強度を測定できる最初の実用的な光電セルを開発した。^{[ 21 ] [ 22 ]： 458}彼らは、負の電気を放電する力に関して金属を並べた。ルビジウム、カリウム、カリウムとナトリウムの合金、ナトリウム、リチウム、マグネシウム、タリウム、亜鉛。銅、白金、鉛、鉄、カドミウム、炭素、水銀については、通常の光による影響は小さすぎて測定できなかった。この効果の金属の順序は、接触電気に関するボルタの系列と同じで、最も電気陽性の金属が最大の光電効果を示した。

1887年、ハインリヒ・ヘルツは光電効果^{[ 23 ]}を観察し、電磁波の発生と受信^{[ 24 ]について報告した[ 25 ]} 。彼の装置の受信機は、電磁波を検出すると火花が見える火花ギャップのあるコイルで構成されていた。彼は火花をよりよく見るために装置を暗い箱の中に置いた。しかし、箱の中にいると最大火花長が短くなることに気づいた。電磁波の発生源と受信機の間に置かれたガラス板は、電子がギャップを飛び越えるのを助ける紫外線を吸収した。それを取り除くと、火花長は長くなった。石英は紫外線を吸収しないため、ガラスを石英に交換しても火花長の減少は見られなかった。

ヘルツの発見は、ヴィルヘルム・ハルヴァクス^{[ 26 ] [ 27 ]}、ホーア^{[ 28 ]} 、アウグスト・リギ^{[ 29 ]}、アレクサンダー・ステレトフ^{[ 30 ] [ 31 ]}による、光、特に紫外線が帯電物体に及ぼす影響に関する一連の研究につながった。ハルヴァクスは亜鉛板を検電器に接続した。彼は、きれいにしたばかりの亜鉛板に紫外線を照射し、亜鉛板が最初に負に帯電していた場合は帯電しなくなり、最初に帯電していなかった場合は正に帯電し、最初に正に帯電していた場合はさらに正に帯電することを観察した。これらの観察から、彼は亜鉛板が紫外線にさらされると、負に帯電した粒子が放出されると結論付けた。

ヘルツ効果に関して、研究者たちは当初から、新鮮な金属表面で観察される効果の漸進的な減少である光電疲労現象の複雑さを示してきた。Hallwachsによれば、オゾンはこの現象において重要な役割を果たしており^{[ 32 ]}、発光は酸化、湿度、表面の研磨度によって影響を受ける。当時、真空中で疲労が起こらないかどうかは不明であった。

1888年から1891年にかけて、アレクサンドル・ストレトフは光電効果の詳細な分析を行い、その結果を6つの論文で発表した。^{[ 31 ]}ストレトフは光電効果の定量的分析により適した新しい実験装置を発明した。彼は光の強度と誘起される光電流の間に直接比例関係があることを発見した（光電効果の第一法則、またはストレトフの法則）。^{[ 33 ]}

金属以外にも、紫外線の作用で負の電気を放出する物質は数多く存在する。GC Schmidt ^{[ 34 ]}と O. Knoblauch ^{[ 35 ]}は、これらの物質のリストをまとめた。

1897年、JJトムソンはクルックス管で紫外線を調査した。^{[ 36 ]}トムソンは、放出された粒子（彼は微粒子と呼んだ）が陰極線と同じ性質であると推論した。これらの粒子は後に電子として知られるようになった。トムソンは真空管内に金属板（陰極）を封入し、高周波放射にさらした。^{[ 37 ]}振動する電磁場が原子の場を共鳴させ、ある振幅に達すると亜原子微粒子を放出させ、電流が検出されると考えられた。この電流の量は放射の強度と色によって変化した。放射の強度または周波数が大きいほど、より多くの電流が生成された。

1886年から1902年にかけて、ヴィルヘルム・ハルヴァックスとフィリップ・レナードは光電放出現象を詳細に調査した。レナードは、2つの電極を囲む真空ガラス管に紫外線が照射されると電流が流れることを観察した。紫外線が止まるとすぐに電流も止まる。これが光電放出の概念の始まりとなった。紫外線による気体の電離の発見は、1900年にフィリップ・レナードによってなされた。この効果は数センチメートルの空気にわたって発生し、負イオンよりも正イオンの数が多かったため、JJトムソンが行ったように、この現象を気体中に存在する粒子に対するヘルツ効果として解釈するのは自然なことであった。 ^{[ 25 ]}

1902年、レナードは、放出される個々の電子のエネルギーが照射される光の強度に依存しないことを観察した。^{[ 3 ] [ 38 ]}これは、電子のエネルギーが放射の強度に比例すると予測したマクスウェルの光の波動理論と矛盾しているように見えた。

レナードは、強力なアーク灯を用いて光の周波数による電子エネルギーの変化を観察した。このアーク灯は、光の強度の大きな変化を調べることができた。しかし、実験の実施が困難であったため、レナードの結果は定量的というより定性的なものにとどまった。実験は、純粋な金属を観察するために、切りたての金属で行う必要があったが、彼が用いた部分真空下でも数分で酸化してしまったからである。表面から放出される電流は、光の強度、つまり明るさによって決まり、光の強度を2倍にすると、表面から放出される電子の数も2倍になった。

^{レナード[ 39 ]}による気体中の光電効果の初期調査は、 JJトムソン^{[ 40 ]}によって引き継がれ、その後フレデリック・パーマー・ジュニア^{[ 41 ] [ 42 ]}によってより決定的に行われた。気体の光放出が研究され、レナードが最初にそれに帰した特性とは非常に異なる特性を示した。^{[ 25 ]}

1900年、ドイツの物理学者マックス・プランクは、黒体放射の研究中に、論文「通常のスペクトルにおけるエネルギー分布の法則について」^{[ 43 ]}の中で、電磁波によって運ばれるエネルギーはエネルギーのパケットとしてのみ放出される可能性があると示唆した。1905年、アルベルト・アインシュタインは、光エネルギーが離散的な量子化されたパケットとして運ばれるという仮説を提唱する論文を発表し、光電効果の実験データを説明した。アインシュタインは、光の各量子のエネルギーは、光の周波数に定数（後にプランク定数と呼ばれる）を掛けたものに等しいと理論づけた。閾値周波数を超える光子は、単一の電子を放出するのに必要なエネルギーを持ち、観測された効果を生み出す。これは量子力学の発展における一歩であった。1914年、ロバート・A・ミリカンは、光電効果からプランク定数を非常に正確に測定し、アインシュタインのモデルを支持したが、当時ミリカンにとって光の粒子説は「全く考えられない」ものであった。^{[ 44 ]}アインシュタインは「光電効果の法則の発見」により1921年のノーベル物理学賞を受賞し、 ^{[ 45 ]}ミリカンは「電気の素電荷と光電効果に関する研究」により1923年のノーベル賞を受賞しました。^{[ 46 ]}電磁放射の作用を受ける原子や固体の量子摂動理論では、光電効果は依然として波の観点から分析されるのが一般的です。光子または波の吸収は、エネルギー差が光子のエネルギーと同じ量子化されたエネルギー準位間でのみ発生するため、2つのアプローチは等価です。^{[ 47 ] [ 15 ]}

アルバート・アインシュタインが光量子の吸収によって光電効果がどのように引き起こされるかを数学的に記述したのは、彼のAnnus Mirabilis論文の1つである「光の生成と変換に関する発見的観点について」という論文である。^{[ 48 ]}この論文はエネルギー量子の単純な記述を提案し、それが黒体放射スペクトルをどのように説明するかを示した。離散的な光量子の吸収という観点からの彼の説明は実験結果と一致した。それは光電子のエネルギーが入射光の強度に依存しない理由を説明した。これは理論的な飛躍であったが、この概念は、ジェームズ・クラーク・マクスウェルの電磁気学の方程式から自然に導かれる光の波動理論、そしてより一般的には物理システムにおけるエネルギーの無限分割可能性の仮定と矛盾するため、当初は強く抵抗された。

アインシュタインの研究は、放出される個々の電子のエネルギーが光の周波数に比例して増加すると予測した。当時、その正確な関係は検証されていなかった。1905年までに、光電子のエネルギーは入射光の周波数の増加とともに増加し、光の強度には依存しないことが知られていた。しかし、増加の仕方は、ミリカンがアインシュタインの予測が正しいことを示した1914年まで実験的に決定されていなかった。^{[ 4 ]}

1937年、ブルガリアの物理学者ゲオルギ・ナジャコフは誘電体中の光エレクトレット状態を発見した。^{[ 49 ]}この現象は固体中の光電効果に関連しており、後にゼログラフィーの物理的基礎に貢献した。^{[ 50 ]}

光電効果は、当時出現しつつあった光の本質における波動・粒子二重性の概念を推進するのに役立った。光は波と粒子の両方の特性を同時に持ち、それぞれが状況に応じて現れる。放出された電子のエネルギーが入射放射の強度に依存しないため、この効果は光の古典的な波動記述の観点からは理解できなかった。 ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]}古典理論では、電子は一定期間にわたってエネルギーを「蓄積」し、その後放出されると予測されていた。^{[ 52 ] [ 54 ]}

光の量子は、ギルバート・N・ルイスが1926年12月18日にネイチャー誌に掲載された手紙「光子の保存」の中で「光子」という用語を造語した際に、現代の名称が与えられた。 ^{[ 55 ] [ 56 ]}

近年の光電効果に関する研究は、光電子の放出時間の測定に焦点を当ててきました。長い間、光放出は瞬間的なプロセスであると考えられていました。しかし、この分野で先駆的な役割を果たしたのは、電子ダイナミクスの研究のためのアト秒光パルス生成の実験技術であり、これはピエール・アゴスティーニ、フェレンツ・クラウス、アンヌ・リュイリエへの2023年のノーベル物理学賞によって認められました。^{[ 57 ]}例えば、2010年には、電子放出には20アト秒かかり、光放出は複雑な多電子相関に関連しており、単一電子プロセスではないことが発見されました。^{[ 58 ]}タングステンに関するより最近の研究では、光電子放出の測定により、電子を解放するには約100アト秒が必要であることが示されました。 ^{[ 59 ]}別の研究では、その値は45アト秒であることがわかりました。^{[ 60 ]}光電子放出は瞬間的ではなく有限の時間を要するという事実について、幅広い合意が形成されつつある。

光電効果における電場の役割も経験的に研究されており、特定の方向の電場を持つ電磁放射が電子を励起し、テラヘルツ領域での発光を増強することがわかっている。^{[ 61 ]}

これらは、エンベロープ内部にコーティングされた光電陰極を備えた、極めて光に敏感な真空管です。光電陰極は、セシウム、ルビジウム、アンチモンなどの材料の組み合わせで構成されており、仕事関数が低いため、非常に弱い光でも照射されると、光電陰極は容易に電子を放出します。一連の電極（ダイノード）によって、これらの電子は二次放出によって加速され、数が大幅に増加し、容易に検出可能な出力電流が得られます。光電子増倍管は、低レベルの光を検出する必要があるあらゆる場所で、今でも広く使用されています。^{[ 62 ]}

テレビ黎明期のビデオカメラ管は光電効果を利用していた。例えば、フィロ・ファーンズワースの「イメージディセクター」は、光電効果で帯電したスクリーンを用いて光学画像を走査可能な電子信号に変換していた。^{[ 63 ]}

放出された電子の運動エネルギーは、入射光子のエネルギーから原子、分子、または固体内の電子の結合エネルギーを差し引いたものと正確に一致するため、既知のエネルギーの単色X線またはUV光を照射し、光電子の運動エネルギーを測定することによって結合エネルギーを決定できます。^{[ 15 ]}電子エネルギーの分布は、これらのシステムの量子特性を研究する上で価値があります。また、サンプルの元素組成を決定するためにも使用できます。固体の場合、電子の許容結合エネルギーと運動量の観点から電子バンド構造を完全に決定するために、光電子の運動エネルギーと放出角分布が測定されます。角度分解光電子分光法の最新の装置は、これらの量を1 meVおよび0.1°よりも優れた精度で測定できます。

光電子分光測定は通常、高真空環境で行われます。これは、ガス分子が存在すると電子が散乱されるためです。しかし、現在では空気中で光電子放出を可能にする製品を販売している企業もあります。光源としては、レーザー、放電管、またはシンクロトロン放射光源などが使用できます。^{[ 64 ]}

同心円状半球型アナライザーは、典型的な電子エネルギーアナライザーである。これは、2つの半球間の電場を利用して、入射電子の運動エネルギーに応じて軌道を変化させる（分散させる）。

イメージインテンシファイア管内のアルカリ金属またはガリウムヒ素などの半導体材料の薄膜に光子が当たると、光電効果により光電子が放出されます。これらの光電子は静電場によって加速され、蛍光体でコーティングされたスクリーンに衝突し、再び光子に変換されます。信号の増強は、電子の加速、またはマイクロチャンネルプレートなどによる二次放出による電子数の増加によって実現されます。場合によっては、両方の方法を組み合わせることもあります。電子を伝導帯から真空準位に移動させるには、追加の運動エネルギーが必要です。これは光電陰極の電子親和力として知られており、バンドギャップモデルで説明される禁制帯以外の光放出に対するもう1つの障壁です。ガリウムヒ素などの一部の材料は、伝導帯レベルよりも低い有効電子親和力を持っています。これらの材料では、伝導帯に移動した電子はすべて材料から放出されるのに十分なエネルギーを持っているため、光子を吸収する膜はかなり厚くなる可能性があります。これらの材料は、負の電子親和性材料として知られています。

光電効果により、太陽光にさらされた宇宙船は正に帯電します。これは大きな問題となる可能性があります。なぜなら、宇宙船の他の部分は影になっているため、近くのプラズマから負に帯電するからです。この不均衡により、繊細な電気部品を通して放電が発生する可能性があります。光電効果によって生成される静電荷は自己制限的です。なぜなら、より帯電した物体は、より帯電した物体ほど容易に電子を放出しないからです。^{[ 65 ] [ 66 ]}

太陽光が月の塵に当たると、光電効果によって塵が正に帯電します。帯電した塵は反発し合い、静電気浮揚によって月の表面から浮き上がります。^{[ 67 ] [ 68 ]}これは、薄いもやとして遠くの地形がぼやけて見え、日没後にはかすかな光として見える「塵の大気」のように現れます。これは1960年代にサーベイヤー計画の探査機によって初めて撮影され、 ^{[ 69 ]}最近では嫦娥3号探査車が、月の岩石に約28cmの高さまで塵が堆積しているのを観測しました。^{[ 70 ]}最も小さな粒子は表面から数キロメートルも反発し、粒子は帯電と放電を繰り返しながら「噴水」のように移動すると考えられています。^{[ 71 ]}