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

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。

出題のポイント

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。

ポイント解説：紫外光で光電子が放出され箔が閉じた（(5)）

金属に光を当てたとき、光子1個のエネルギーがある値（仕事関数）以上だと電子がたたき出される。これを外部光電効果という。光子のエネルギーは振動数に比例（波長に反比例）するので、波長の短い（振動数の高い）紫外光ほど効果が大きい。赤外光・可視光ではエネルギーが足りず電子は出ないが、紫外光では光電子が放出された。(5)が正しい。

他は誤り：(1)紫外光で箔が閉じた（放電）のは電子が放出されたためで、電荷Qは負電荷だったと分かる（正負の両方の可能性はない）。(2)光電効果は光の強度ではなく振動数で決まるので、紫外光なら弱くても光電子は出て箔は閉じる。(3)温度はほとんど上がっておらず、赤外光で熱電子は関係しない。(4)可視光では変化がなく、電気抵抗の大幅低下は起きていない。

問題の解説

STEP1　(5)が正しい理由

紫外光は光子のエネルギーが大きく、金属から電子をたたき出す（外部光電効果）。上部電極から光電子が放出され、電荷が中和して箔が閉じた。

STEP2　光電効果の性質

光電効果は光の振動数（波長）で決まる。強度は放出される電子の数に影響するが、出るか出ないかは振動数が決める。

STEP3　他の選択肢

(1)放電したので電荷は負と分かる。(2)紫外光なら弱くても閉じる。(3)温度上昇なし＝熱電子は無関係。(4)可視光では変化なし。よって(5)。

答え：(5)

まとめ

現象	外部光電効果
原因	紫外光の光子エネルギーが大
結果	光電子放出→箔が閉じる
答え	(5)

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