教科書(物理) 問5:光電効果のグラフ

解法

直感的理解

\(K_0\) と \(\nu\) のグラフは傾き \(h\) の直線になります。金属の種類が変わると切片(仕事関数)が変わりますが、傾き \(h\) はすべての金属で同じです。

Step 1:光電効果の式をグラフで読む

$$ K_0 = h\nu - W $$

これは \(y = ax + b\) の1次関数の形で、傾き \(= h\)、\(y\) 切片 \(= -W\) です。

Step 2:限界振動数の読み取り

\(K_0 = 0\) のとき:

$$ 0 = h\nu_0 - W \quad \Rightarrow \quad \nu_0 = \frac{W}{h} $$

例えばナトリウム(\(W = 2.3\) eV)の場合:

$$ \nu_0 = \frac{2.3 \times 1.6 \times 10^{-19}}{6.63 \times 10^{-34}} = \frac{3.68 \times 10^{-19}}{6.63 \times 10^{-34}} = 5.6 \times 10^{14} \text{ Hz} $$

Step 3:阻止電圧との関係

$$ K_0 = eV_0 \quad \Rightarrow \quad V_0 = \frac{h}{e}\nu - \frac{W}{e} $$

\(V_0\)-\(\nu\) グラフの傾きは \(h/e = 4.14 \times 10^{-15}\) V·s です。

数値計算の確認:プランク定数 \(h = 6.63 \times 10^{-34}\) J·s、振動数 \(5.0 \times 10^{14}\) Hz の光子のエネルギーは \(E = 6.63 \times 10^{-34} \times 5.0 \times 10^{14} = 3.3 \times 10^{-19}\) J = 2.1 eV。仕事関数 1.9 eV なら最大運動エネルギーは \(2.1 - 1.9 = 0.2\) eV です。

答え:
\(K_0\)-\(\nu\) グラフの傾きは \(h\)(プランク定数)、\(\nu\) 切片は \(\nu_0\)(限界振動数)。金属によらず傾きは同じ。
Point

光電効果のグラフは金属によらず傾きが同じ(\(= h\))。これがプランク定数の普遍性を示しています。グラフの平行移動で仕事関数の違いを読み取れます。

🧮 補足:プランク定数の測定精度

ミリカンは光電効果の精密実験で阻止電圧を測定し、\(V_0\)-\(\nu\) グラフの傾き \(h/e\) からプランク定数を求めました。

2つの振動数 \(\nu_1 = 5.0 \times 10^{14}\) Hz, \(\nu_2 = 8.0 \times 10^{14}\) Hz で阻止電圧 \(V_1 = 0.85\) V, \(V_2 = 2.09\) V が得られた場合:

$$ h = e \cdot \frac{V_2 - V_1}{\nu_2 - \nu_1} = 1.6 \times 10^{-19} \times \frac{1.24}{3.0 \times 10^{14}} = 6.6 \times 10^{-34} \text{ J·s} $$