●アインシュタインの光量子仮説
1905年のアインシュタイン

 

(光電効果)
 光のエネルギーは、とびとびの値をとると考える「量子仮説」は、光の波動説をも大きく揺るがした。波のエネルギー(強さ)は波の振幅に比例する。したがって「光のエネルギーがとびとび」ということは、光の波の振幅も、とびとびの値になることを意味する。これは「波の振幅は連続的な値をとることができる」とする従来の波の理解の仕方に完全に反するものだった(物理学の世界では、波の種類や大きさなどを「波長」「振幅」「振動数」などの要素で表現する。「波長」は波の1周期の距離である。「振幅」は波の高さを表し波の強さを決定する。「振動数」は1秒間に波が何回うねるかを表す)。
 そこに若きアインシュタインが登場する。彼は「光は波ではなく、プランク定数hと振動数νをかけたエネルギーを持つ粒として考えればいい」と主張した。彼は光の粒を「光量子(こうりょうし)」と呼び、光を粒と考える「光量子仮説」を唱えた。
 この考え方に従って、アインシュタインは「光電効果」という現象を説明した。光電効果そのものを説明する前に、同じ原理である「日焼け」について解説する。
 長い間、ストーブの前に座っていても、やけどはするかもしれないが、日焼けはしない。しかし、直射日光が当たる海辺などでは、すぐに日焼けするのはなぜだろうか? 実はストーブの光は、赤外線で振動数の少ない光であり、一方、太陽光に含まれる紫外線は、振動数が多い光である。これを光量子仮説の考えで説明すると、ストーブの光のエネルギーは、振動数νが小さな値なので、エネルギーhνも小さい。これが、肌の分子に当たっても、ほとんど影響を与えない。しかし、太陽の紫外線は、ストーブの光より振動数νが大きいので、エネルギーhνも大きい。それが肌の分子に、ぶつかって、化学的な変化を引き起こす。これが日焼けの原理なのである。
 光を粒だとするアインシュタインの仮説を使うと、これまでの光の波動説ではわからなかった現象が説明できるようになる。そのひとつが「光電効果」である。
 光電効果とは、ある種の金属に振動数の大きな光(たとえば青い光)を当てると、電子が飛び出すという現象のことである。振動数の小さな光(たとえば赤い光)をいくら長時間当てても、電子は飛び出してこない。ある一定の振動数以上の光を当てた時のみ、電子が飛び出すのだ。この現象自体は以前から知られていたが、20世紀になってドイツの物理学者レナルト(Lenard)が、詳しく研究した。
 彼の研究結果は、第一に「強い光を当てると、飛び出す電子の数が増える。だが飛び出す電子1個のエネルギーは変わらない」。第二に「当てる光の振動数を大きくすると、電子は勢いよく飛び出す。つまり、飛び出す電子のエネルギーが大きくなる。ただし飛び出す電子の個数に変化がない」というものになった。
 しかし、この結果は光の波動説では説明できない。光を波と考えると、強い光の波を当てれば飛び出す電子のエネルギーは大きくならなければならないからだ。なのに、実験では、強い光の波を当てても、電子の数は増えるが、電子のエネルギーは同じなのである。つまり、強い光であろうが、弱い光であろうが、振動数が同じなら、電子のエネルギーは一定なのである。
 また、飛び出す電子のエネルギーを大きくするには、当てる光の振動数を大きくすればいいというのも理解できなかった。なぜなら、振動数は光の色を決めるもので、エネルギーとは関係がないと考えられていたからだ。  

(光が粒であることの証拠)
 光を波だと考えると「光電効果」を説明できなかった。これに対してアインシュタインは光を粒だとみなして、光電効果とは、光の粒が金属中の電子にぶつかって、電子をはじき飛ばす現象だと考えた。そして、この考え方をレナルトの研究にあてはめると、すべてがうまく説明できたのだ。
 レナルトの第一の研究結果は「強い光を当てると、飛び出す電子の数が増える。しかし、飛び出す電子1個のエネルギーは変わらない」だった。この場合の強い光とは、いわば数多くの光のが発射されるということに等しい。光を強くすれば、光の粒の数は増える。すると、光の粒に弾(はじ)かれて、たくさんの電子が飛び出すはずだ。その際、電子1個のエネルギーが変わらないのは、ぶつかる光の粒のほうがhνという一定のエネルギーしか持っていないからだ(下図参照のこと)。

 レナルトの第二の研究結果は「当てる光の振動数を多くしても、飛び出す電子の数は変わらない。しかし、飛び出す電子1個のエネルギーは大きくなる」だった。この場合、光は単に振動数が多くなっただけで、光の粒を多く発射したことではない。だから、光の粒に弾かれる電子の数は変わらなくてよいのだ(下図参照のこと)。

 では、飛び出す電子1個のエネルギーは大きくなるのは何故だろう? 「プランクの量子仮説」でふれたが、光のエネルギーはh(プランク定数)に振動数νをかけたものだった。とすると、光の振動数が多くなれば、それに応じて光の粒1個のエネルギーは増える。エネルギーの大きな光量子が金属中の電子1個に当たると、飛び出す電子のエネルギーも大きくなるのである。  

(コンプトン効果について)
 もうひとつ、光を粒だと考えると都合のよい現象に「コンプトン効果」がある。これはアメリカの物理学者コンプトンが、以前から謎とされていたX線の散乱波について、光を粒と考える立場から説明したものだ。
 X線という言葉は、私たちにも、なじみ深いが、その正体は、光よりはるかに振動数が大きい電磁波である。つまり、光もX線も、電磁波であることには変わりなく、ただ振動数が異なるだけなのだ。
 物質の原子にX線を当てると、当たった後のX線は周囲に散乱する。散乱後のX線の振動数を調べてみると、散乱前の振動数より少なくなっていることがある。この現象は、光を波だと考える電磁気学の立場からは、説明がつかなかった。電磁気学の理論によると、散乱前と散乱後のX線の振動数は、同じでなければならなかった。しかし、実験の結果はそうはならない。いったいどうしたものか?
 この現象を、光は粒として説明しようとすれば、考え方は光電効果の時と同じようなものになる。つまり、X線の粒が原子中の電子にぶつかり、電子を飛ばしながら自分もいろいろな方向に散乱するのだ。
 ビリヤードで、テーブル中の的玉(まとだま)に、突き玉(手玉)をぶつけると、当たった後の突き玉のスピードは落ちる。これは衝突の際に、突き玉のエネルギーの一部が、的玉に奪われてしまうからだ。逆に的玉は、もらったエネルギーによって動き出す。これと同じようにX線の粒も、原子中の電子にエネルギーを奪われ、そのぶんだけ振動数が少なくなるのだ。(図解雑学 量子論 佐藤勝彦監修 ナツメ社より)

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