色と熱と量子という考え方の話３
20世紀初めに、科学者たちが頭を悩ませていた問題のひとつに「光電効果」がありました。これは、金属の表面に光を当てる電子が飛びだしてくるという現象です。どうして、このようなが起きるのかよくわからなかったのです。これは、私たちの生活にまったく無縁というわけではなく、現在でもいろいろな電子器具に応用されています。光を当てると電子が飛びだすということは、光を電気信号に変えることもできるということです。ビデオカメラやデジタルカメラ、ファクシミリやコピーも、このようなしくみを利用しています。電子はいつもは原子核のまわりをまわっています。これは電子が原子核の電気的な力にとらわれているからです。しかし、もし、電子がこの電気的な力より大きいエネルギーをもらうことができるとしたらどうなるでしょう。電子は、原子核の力をふりきって外へ飛びだしていきます。光電効果とは、このような大きいエネルギーを、電子が光からもらい、外に飛びだす現象です。この光電効果には、ひとつの特徴があります。ある波長より短い光でないと、電子は飛びだしてこないということです。波長の長い光、つまり赤に近いほうの色だと、どんなに強く明るい光を当てても電子は飛びだしてきません。しかし、波長の短い光、つまり紫色の色だとどんなに弱く暗い光を当てても、電子が飛びだしてきます。光の波長が長かろうが短かかろうが、強く明るい光のほうがエネルギーをたくさんもっていますから、電子が飛びだしてくると考えるのがふつうです。それなのに実際は、どんなに弱い光でも、波長が短ければ電子は飛びだしてくるのです。光が波だと考えた場合、明るい光というのは、大津波のようなものです。大津波にもびくともしない船が、さざ波のような細かい波にあうと簡単に押し流されてしまった。たとえていうと、光電効果では、そのようなことが起こっていたのです。これは古典力学では説明できないことでした。光電効果は、光が波であると考えている限り、説明できませんでした。しかし、もし光が波でなく、粒子であったらどうなるか。そう考えたのがアインシュタインです。波長の長い光ではいくら強い光でも電子が飛びだしてこないのは、ひとつひとつがエネルギーの小さい粒子だからで、強い光とは、そのような粒子がたくさんあるという状態ではないだろうか。いわば、ボーリングの玉にビー玉をいくら当ててもびくともしないのと同じです。反対に、波長の短い光は、大きな鉄の玉のようにひとつひとつがエネルギーの大きい粒子なのではないか。大きな鉄の玉を、どしんとぶつけてやれば、ボーリング玉ははじかれていきます。軌、光とは、粒子の数が少ないことと考えれば、鉄の玉ならひとつだけでも、十分威力があると考えられます。このように、アインシュタインは、光はエネルギーの固まりであると考えました。アインシュタインが、光電効果の謎を解き明かしたのは、ブランクが量子仮説を発表してから5年後のことでした。光が粒子であるというこの説は「光量子仮説」と呼ばれています。これによれば、光量子のエネルギーは波長が短くなるほど大きくなります。だから、弱い光でもひとつひとつの光量子のエネルギーは大きく、電子を飛びださせる力があるのです。反対に、波長の長い光はいくら明るくして光量子の数を増やしても、ひとつひとつの光量子のエネルギーが小さいので、電子は飛びだしてこないのです。光が波であるか粒子であるかという問題には、波であるということで決着がついていると思われていた時代ですから、光が粒子だとする光量子仮説はずいぶん大胆な説でした。光が波でもあって粒子でもあるという矛盾を解決するのが、のちに量子力学の重要なテーマになってきますが、ここでははぶきます。以下次号にて |
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