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高校物理 『「光電効果」と「コンプトン効果」について』 「光電効果」では、光子...

bik********さん

2010/7/1822:09:36

高校物理

『「光電効果」と「コンプトン効果」について』

「光電効果」では、光子は「エネルギー」になってしまうのに対して、
「コンプトン効果」では、光子は衝突してどうたらこうたらってことだから、光子はエネルギーではなく、「モノ、物体」として扱われていることになりますよね?

そして、「光電効果」と「コンプトン効果」は、光子の「粒子性」を示すための実験だと言っていましたが、
確かに、「コンプトン効果」は、光子の「粒子性」を示すための実験だと思えますが、「光電効果」はそうだとは思えません…
まぁ、「光子1粒が電子1粒にエネルギーをあたえるから粒子を示してる」って言いたいんだろうけど、なんかしっくりきません…

なぜ、「光電効果」は、「光子の粒子性」を表していると言えるのでしょうか?…①

僕は、今、浪人中の物理学科志望の者です

まぁ正直、僕が受けようとしてる大学で、「原子と原子核」の分野が直接出題されることはないみたいなんで、受験にはあんまり意味が無いかもしれないけど、どうせやるんだからと思って、講習を受けてきて、こういう質問をしたわけなのですが…

もし物理学科に入ったら、粒子分野の研究をするのもいいかなぁ、とは思ってたけど、よくあんなもん思いついたなぁ、って感じでしたw

やはり、粒子分野の研究をするには、天才じゃないと無理なのでしょうか?それとも、やはり、諦めずに頑張る粘り強さが大事なのでしょうか?…②

今まで成長してきて、天才とかそういうのって関係ないでしょ、って思えるようにはなってきてたけど、今回のはさすがにね…

まぁ、「原子と原子核」だって、まだ"さわり"しか習ってないから、今の段階で諦めるのも無意味だから、今はとにかく頑張るべきだけど、心配になってきました…

①②についてお願いしますm(_ _)m

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ベストアンサーに選ばれた回答

dry********さん

2010/7/1906:38:23

①光電効果の実験結果を、次のように整理します。
あてる光の強度によらず、

・光の振動数が一定値以上のときには、すぐにでも電子が飛び出す。
・光の振動数が一定値以下のときには、いつまでも電子が飛び出さない。

これらの実験結果を、古典論から予想される結果と比較してみます。
まず、1つの電子を飛び出させるのに必要なエネルギーEは、金属原子ではおよそ、

E=6[eV]≒1×10^(-18)[W・sec]

また、1つの原子の断面積Sは、その直径を1[Å]=10^(-10)[m]と見積もると、

S=π{10^(-10)/2}^2=(π/4)×10^(-20)[㎡]

いま、40[W]の点光源から放たれた光を、1[m]離れたターゲット(原子)にあてるとすると、ターゲット(原子)における光の照度Iは、

I=40/(4π・1^2)=10/π[W/㎡]

よって、1つの電子を飛び出させるのに必要な時間Tは、

T=E/(S・I)≒40[sec]

つまり、古典論から予想される結果は、光電効果の実験結果に反しています。
これは、球面状に拡がった光の波の中に、1つ1つの粒があって、それぞれがエネルギーを持っている、と考えなければ説明できません。

②アインシュタインは、いわゆる『天才』ではありませんでした。
その業績(一般相対性理論)によって、人類史上、最高クラスの『天才』に位置付けられた訳です。
そういった意味では、あなたにも可能性がないとは言えませんが…。
ところで、あなたには10年もの間、1つのことだけを考え続ける情熱がありますか?

質問した人からのコメント

2010/7/26 01:39:46

成功 一応、長い時間考えたいから物理学科を目指してます

"受験"として学んでると、分からなかったらとにかく聞いて何とかしないと受験までに間に合わなくて…そういうことやってるから、「なんで?」を考えて楽しむ時間が無くて、結構苛立たしいんですよ
日本の教育困るw

まぁ日本で生きてる以上、今はせかせかと頑張るしかないんでしょうね
ホントにつまらんw

独り言すみませんw

質問したことは理解できました!
回答ありがとうございました!

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mks********さん

2010/7/1901:20:20

あなたの疑問は非常にもっともなもので、恥じたり、心配するようなことではありません。
要するに、粒子が消えてしまうのはおかしい、ということでしょう。たしかにそのとおりなのです。普通の粒子は衝突しても消滅することはありません。質量保存の法則というものがあります。ところが光子は特別な粒子で、質量が0です。だから消えてしまっても問題ないのです。
これだけだと少し寂しいのでもう少し難しい話をしますと、質量保存の法則というのが成り立たない場合があります。ご存知とは思いますが核反応などでは質量が消え、そのかわりにE=mc^2であらわされる莫大なエネルギーが生じます。言い換えると、質量はE=mc^2で表されるエネルギーを持っているということです。そのために質量を持つ物体はそう簡単に消えてしまえないのです。一方、質量を持たない光子の持つエネルギーというのは極めて小さく、分子の熱運動によるエネルギーなどと同じくらいです。それゆえ、光子は熱運動によって極めて簡単に生成され、また消滅します。実は、我々が生活するような温度でも、赤外線があらゆる物から生じて、周りの物に当たって吸収される、ということが起こっています。これが熱の3つの伝わり方の内の一つ、放射です。温度の高いものほどよりエネルギーの高い光子を発生させ、周りの物を温めるのです。
光子はエネルギーそのもの、というわけではなくて、モノ、として扱われるのですが、質量がないためにエネルギーが小さく、すぐ消えてしまうのです。質量を持たない粒子、というのは非常に不思議なものですが、この概念を用いることによって、光電効果やコンプトン効果を説明することができるのです。
②については、私は天才さんにあったことがないので分からないです。

tou********さん

2010/7/1900:32:28

①今の物理学では粒子性(物質)とエネルギーは相反する存在ではありません。どちらも等価であって相互に変換しえるものです。光電効果は金属原子内の電子を光子という粒でたたき出す(運動エネルギーを与える)と考えられるからです。
②「天才」というのは過程ではなく結果を表す表現ではないでしょうか?誰もが思いもよらぬ事をした結果成功したものを指し示す用語だと思います。あなたがそれをなし遂げる事ができれば「天才」になれます。

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