電子の運動9【電験3種理論】箔検電器と光電効果（紫外光で光電子放出）を判別する！令和2年度 A問題12 完全解説

2026年7月14日2026年8月4日

電験3種理論科目電子理論（電子の運動）令和2年度 A問題12 紫外線を当てると箔が閉じる！光電効果のふしぎ

今回は令和2年度理論科目 A問題12を解説します。電荷を与えて箔を開いた箔検電器に、赤外光・可視光・紫外光を順に照射し、紫外光のときに箔が閉じた実験から分かることを選ぶ問題です。

紫外光を当てたときだけ箔が閉じた（放電した）のは、エネルギーの大きい紫外光の光子が金属から電子をたたき出す『光電効果（外部光電効果）』によるものです。光電効果は光の強度ではなく振動数（波長）で決まる点がポイントです。

令和2年度理論科目 A問題12：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

電験3種理論科目電子の運動令和2年度 A問題12 問題文 — 令和2年度理論科目 A問題12 問題文

出典：一般財団法人電気技術者試験センター「令和2年度第三種電気主任技術者試験」理論科目 A問題12

電験3種理論科目【電子理論（電子の運動）】令和2年度 A問題12

　次のような実験を真空の中で行った。

　まず、箔検電器の上部アルミニウム電極に電荷Q[C]を与えたところ、箔が開いた状態になった。次に、箔検電器の上部電極に赤外光、可視光、紫外光の順に光を照射したところ、紫外光を照射したときに箔が閉じた。ただし、赤外光、可視光、紫外光の強度はいずれも上部電極の温度をほとんど上昇させない程度であった。

　この実験から分かることとして、正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

（1）電荷Qは正電荷であった可能性も負電荷であった可能性もある。
（2）紫外光が特定の強度よりも弱いとき箔はまったく閉じなくなる。
（3）赤外光を照射したとき上部電極に熱電子が吸収された。
（4）可視光を照射したとき上部電極の電気抵抗が大幅に低下した。
（5）紫外光を照射したとき上部電極から光電子が放出された。

出題のポイント：実験事実から何が言えるかを読む

計算はまったくありません。「紫外光を当てたときだけ箔が閉じた」という事実から、論理的に何が言えるか——それだけを問う問題です。

箔が閉じた＝電荷が減った（中和された）ということです。電荷が減るには、何かが出ていくか、逆の電荷が入ってくるか——真空中なので「電子が飛び出した」と考えるのが自然です。

光電効果の要点

$$h\nu\geq W\ (\text{仕事関数})\ \Rightarrow\ \text{電子が飛び出す}$$

※光の【振動数】が条件を決める——強さ（強度）ではありません。これが光の粒子性の証拠です。

赤外光＜可視光＜紫外光の順に振動数が大きい——紫外光でだけ起きたということは、限界振動数が可視光と紫外光の間にあると分かります。

負に帯電した箔検電器へ紫外光を当てると上部電極から光電子が放出され、負電荷と反発が減って箔が閉じる過程を示す解説 — 紫外光による外部光電効果で電子が電極の外へ放出され、箔の反発が弱くなったと読み取ります。

解説：5つの選択肢を1つずつ検証する

選択肢	内容	判定	理由
(1)	$Q$ は正の可能性も負の可能性もある	×	光電子（負）が出て中和 → $Q$ は【負】と確定
(2)	紫外光が弱いと箔はまったく閉じない	×	振動数が足りていれば、弱くても電子は出る（遅くなるだけ）
(3)	赤外光で熱電子が吸収された	×	熱電子は「出る」もの。しかも温度は上がっていない
(4)	可視光で電気抵抗が低下	×	可視光では何も起きなかった
(5)	紫外光で光電子が放出された	◎	実験事実と完全に一致

(1)の判定が本問で最も重要です。飛び出したのは電子（負電荷）——負電荷が出ていって中和されたのだから、もともと電極は負に帯電していたと確定できます。

もし $Q$ が正電荷だったら、電子が出ていくとますます正に帯電して、箔はもっと開くはずです。閉じたという事実が、$Q$ が負だったことを証明しています。

(2)は光電効果の本質に関わる誤りです。光を弱くしても、振動数が限界を超えていれば電子は出ます——出る個数が減るだけです。

光子エネルギーhfが仕事関数W以上で光電子が出る条件と、赤外光・可視光・紫外光の振動数および強度の役割を比較する解説 — 光電子が出るかどうかは光子1個のエネルギー、すなわち振動数がしきい値を超えるかで決まります。

箔検電器と光電効果に関する公式の五つの選択肢を理由付きで判定し、紫外光で光電子が放出された選択肢5を正解とする解説 — 観察結果と光電効果の性質を対応させると、正しい記述は選択肢（5）だけです。

答え正しいのは「紫外光を照射したとき上部電極から光電子が放出された」　→　選択肢(5)

誤答の正体：光電効果の「常識に反する」性質

光電効果には、古典物理では説明できない3つの性質があります。誤答はこの性質を知らないと選んでしまいます。

性質	内容	古典物理では
限界振動数がある	ある振動数以下では、どんなに強くしても電子は出ない	説明できない
強度は個数だけを変える	強くすると電子の【数】が増えるが、【エネルギー】は変わらない	説明できない
時間遅れがない	光を当てた瞬間に電子が出る	説明できない

古典物理では「光は波」なので、弱い光でも長く当てればエネルギーが溜まって電子が出るはずでした。ところが実際は、振動数が足りなければ何時間当てても出ません。

アインシュタインは「光は $h\nu$ のエネルギーを持つ粒子（光子）の集まり」と考えて、この謎を解きました。1個の光子が1個の電子にエネルギーを渡す——だから振動数が決め手になります。

⚠️ よくある間違い
「強い光ほど電子が飛び出しやすい」は誤りです。強度を上げても、1個の光子のエネルギー $h\nu$ は変わりません。変わるのは光子の【個数】だけ——だから出る電子の個数が増えるだけです。

☝️ ひっかけの作り方：問題文の「強度はいずれも温度をほとんど上昇させない程度」という但し書きに注目してください。熱による現象（熱電子放出）を除外するための記述です。但し書きには必ず意味があります。

深掘り①：アインシュタインの光電方程式

光電効果を式で表すと、非常にシンプルです。「もらったエネルギー − 出るのに必要なエネルギー＝残りの運動エネルギー」——それだけです。

光電方程式

$$\frac{1}{2}mv_{\max}^{2}=h\nu-W$$

※$h$ はプランク定数（$6.63\times10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}$）、$W$ は仕事関数。$h\nu<W$ なら電子は出ません。

$$h\nu_0=W\ \Rightarrow\ \nu_0=\frac{W}{h}$$

❶ 限界振動数
これ以下では出ない

$$W=4\ \mathrm{eV}\ \Rightarrow\ \nu_0=\frac{4\times1.6\times10^{-19}}{6.63\times10^{-34}}\fallingdotseq9.7\times10^{14}\ \mathrm{Hz}$$

❷ 数値例

$$\lambda_0=\frac{c}{\nu_0}=\frac{3\times10^{8}}{9.7\times10^{14}}\fallingdotseq310\ \mathrm{nm}$$

❸ 限界波長
紫外線の領域

仕事関数4 eVの金属なら、限界波長は約310 nmです。可視光は380〜780 nm なので届かず、紫外線（380 nm以下）なら届く——本問の実験結果と一致します。

深掘り②：光の種類と振動数・エネルギー

赤外光・可視光・紫外光の関係を、波長・振動数・エネルギーで整理しておきましょう。

光の種類	波長	振動数	光子のエネルギー
赤外光	780 nm〜	小さい	1.6 eV以下
可視光（赤）	約700 nm	中	約1.8 eV
可視光（紫）	約400 nm	中	約3.1 eV
紫外光	〜380 nm	大きい	3.3 eV以上

光子のエネルギーは $E=h\nu=hc/\lambda$——波長が短いほど大きいです。「$1240/\lambda\mathrm{[nm]}=E\mathrm{[eV]}$」 という便利な式もあります。

金属の仕事関数はたいてい2〜5 eVです。だから多くの金属では、可視光では電子が出ず、紫外光で出る——本問の実験はまさにその状況です。

深掘り③：箔検電器という道具

箔検電器は、電荷の有無と量を目で見る道具です。薄い金属箔が、同じ電荷どうしの反発で開きます。

状態	箔の様子	意味
帯電なし	閉じている	反発する電荷がない
帯電あり	開いている	同符号の電荷が反発
電荷が減る	閉じていく	反発が弱まる

箔検電器は電荷の「符号」までは直接分かりません。正でも負でも、帯電していれば開きます——本問では「光電子が出て閉じた」という事実から、間接的に符号を判定しました。

これが本問の面白さです。実験結果と物理法則を組み合わせて、直接測れないものを推論する——科学の基本的な考え方が問われています。

⏱️ 本番での進め方
❶ 「箔が閉じた」＝電荷が中和された——何が出ていったかを考える。
❷ 光電効果は【振動数】で決まる——強度ではない。
❸ 光電子は負電荷——出ていって中和したなら元は負。
❹ 但し書き「温度は上昇させない」——熱電子放出を除外している。

💡 覚え方
「光電効果は振動数で決まる」——強い赤色光より、弱い紫色光のほうが電子を出せるのです。この「常識に反する」性質こそが、光の粒子性の証拠でした。