気になるところ †
メッセージ †
「しかし，金属中の電子はいろいろな場所に存在していますから，電子が金属表面に達するのに必要なエネルギーは，個々の電子によって異なります．これでは，の値が定まらないことになり，議論が進みません．」
この文章は物理的に正しくない気がします。光電効果は表面の電子が真空バリアを超えるだけのエネルギーをもらった時に電界をかけると、金属から飛び出す現象で、場所ではなく光が当たる前の電子のエネルギーにばらつきがあるから、個々によって金属から飛び出すのに必要なエネルギーが違ってくるのではないでしょうか。仕事関数はフェルミ準位から真空準位までのエネルギー差ですのでそうだと思います。
「電子は光子から受け取ったエネルギーのうち，Eだけ使って金属表面まで達し」
同じ理由でこの文章も表面まで達するためのエネルギーではなく、エネルギーを軸にして見たときの、真空準位までのエネルギーではないでしょうか。
僕も完璧に理解しているわけではないので違うかも知れませんが、以上検討してみてください。よろしくお願いします。
返答 †
- NOBUさん、ご指摘ありがとうございます。光電効果は高校で習った知識なので、あやふやな点が多いようです。「場所ではなく光が当たる前の電子のエネルギーにばらつきがあるから」というのは、完璧に理解できているわけではないですが、納得できます。そうすると光電方程式の解釈はどうなるだろう･･･。「仕事関数はフェルミ準位から真空準位までのエネルギー差」そうなんですか･･･そこまで詳しく知りませんでした。「真空準位」という言葉を初めて聞きました（汗）。自分で調べなおしてみますね。フェルミエネルギーを持った電子が仕事関数より大きなエネルギーを受け取ると、飛び出してくるということかな（今の段階での理解）。出直します！ -- tomo@ksp-project
- 電子はいろいろな準位にいるから、持っているエネルギーはさまざまで、飛び出すのに必要なエネルギーもさまざまということになるけど、そのさまざまな飛び出すのに必要なエネルギーの中で、最小のものを「仕事関数」とする、ということですね。「電子はそれぞれ異なったエネルギーを持って運動しているので、金属表面に達するまでに必要なエネルギーも異なる」というような説明でいこうと思います。どうでしょうか。 -- tomo@ksp-project
- う〜ん･･･「フェルミエネルギー」とか「真空準位」とかっていう言葉を使わないで説明するのは難しいですね･･･。 -- tomo@ksp-project
- 変えてみました。結構苦しいです･･･。 -- tomo@ksp-project
- まず一番大事なことは金属の表面に行けば電子は金属から外に出られる訳ではないと言うことです。ではどうなってるかというと、それは、金属中の電子が真空へ出ようとするとバリア（ポテンシャル障壁）があり普通は出られません、そのため光などからエネルギーをもらわないとその障壁を越えることはできないのです。 -- NOBU
- せっかくなので，tomoさんの最初の認識の違いも踏まえて記事を加筆すると良いのではないでしょうか．「ここが分からなかった」的な文章があった方が，易しく味のあるものになると思いますので． -- 崎間
- 高校生向けには、やや簡素化した内容で書いて、アドバンストな内容として、フェルミ準位や真空準位と言った用語を出して説明する、というのはどうだろうかと考えます。 -- tomo@ksp-project
- そうですね、やはり教科書とは違う個性があると物理のかぎプロジェクトらしくて良いですよね。tomoさん＞フェルミ準位はよくコップの中の水の水面なんかと対比されて説明されます。物質はいわば電子の入れ物（コップ）なのです。コップに水を入れていくとコップの底（エネルギーの低いところ）から徐々に貯まっていきます（エネルギーの高い所へ貯まって行く）。その後、水の入ったコップが静止していれば水面は静止して、高さはどこを見ても一緒になります。金属中の電子の場合も低いエネルギーの所から徐々に詰まって行き、あるエネルギーまで詰まります。水の入ったコップを揺らすと水面は揺れますよね、つまり高いところと低いところができます。これと同じことが金属の中に詰まった電子にも起き、それは外部からの熱によって起こります。ということは熱が無いとき（つまり絶対零度）は電子でいう水面が一定になります。この水面がフェルミ準位です。（ただし、半導体では少し違うので注意が必要です。厳密な話は固体物理の教科書を参照すると良いと思います。）この水面あたりにいる電子たちにとって真空はいわばとても高い壁（ポテンシャルの山）に見えて、そのてっぺんが真空準位になります。 -- NOBU
- 崎間さん、アドバイスありがとうございます。最初の認識を踏まえて書き直してみたいと思います。 -- tomo@ksp-project
- NOBUさん、丁寧に説明していただいてありがとうございます。真空準位については、物性の教科書で少し勉強してみました。フェルミ準位と真空準位という言葉を用いれば、今よりは正確な説明ができそうです。しかし、それでは高校生には向かないので、高校生向けには別の記述を書こうと思います。 -- tomo@ksp-project
- そうですね、その方が良いかもしれません。物理の本質をはずさずにわかり安く説明をするのは、なかなか至難だと思いますが、頑張ってください！！僕もいま化学結合の記事を執筆していますがなかなか進みません…。tomoさんは精力的に記事を執筆しているので刺激されます。僕もなんとか一月中には査読にまわしたいと思います！！ -- NOBU
査読/光電効果2（tomo著）/2 のバックアップ(No.16)
