光電効果

質問

波長の短い光を金属に当てると電子が飛び出してくるという現象。
このようなことが起きるためには電子に一瞬でエネルギーを与え
ねばならず、そのためには光は波ではなく粒子であると考えねば
ならなくなったという説明を目にします。
　しかし、光すなわち光子は、粒子とは名ばかりでその大きさの
議論できないボース粒子に属するともいいます。
　大きさの議論できないモノがどうして一瞬で電子にエネルギー
を渡せると言えるのでしょうか？

回答No.4

アウストラロ ピテクス（@ngkdddjkk）

No.1です。

フォトンとフォノンを逆に書いてましたね。すみません。

ただ、フォノンは超伝導電流(ボーズ粒子:クーパー対)の媒介粒子になるので、まあ、同じようなもんです。
縦波か横波かの違いだけで、本質は変わりません。

回答No.3

reflector

＞大きさの議論できないモノがどうして一瞬で電子にエネルギーを渡せると言えるのでしょうか？
だって学説に誤りがあるんですもん。
主に電流や磁束（磁力）なら定義が通るのですが、こと電磁波となると説明困難なので
無理が生じてしまいます。

光の散乱は、メスバウアー効果とラマン分光が正しく、光電効果は見当違いなのではと思っています。
ラマン分光の定義も空白部分が多く、原子核の状態をシミュレーションしていると「ああ、なるほど」って考えるようになりました。
どこにも載っていませんけど。

回答No.2

chiha2525

素粒子というのは、その内部構造を持たないものです。もし内部構造を持てば、それは”素”粒子ではないからです。ところが、大きさがあるならばそれは内部構造があるということです。それで素粒子は大きさのない粒子ということになるのです。このあたりが人間の想像の限界に近いようです。

現実の素粒子は、粒子性と波動性を併せ持つものです。人間には”粒子”や”波動”は想像できても、”粒子と波動を併せ持つもの”を想像するのは、大変困難です。

大きさを持たない素粒子同士がぶつかるというのも、おかしな話になります。ビリヤードの玉なら、コツンとぶつかって跳ねればよいのですが、素粒子だとコツンとぶつかれません。しかし実際には近づくと衝突したように跳ねます。その大きさを衝突断面積といったりしますが、そこで素粒子同士が直接ぶつかるのではなく、ある粒子を受け渡しすることにより、それぞれ２つの素粒子が力をやりとりすると考えています（実際にそういう考えで計算すると、結果が合うのです）。受け渡しする”ある粒子”は仮想粒子と呼ばれています。仮想粒子が反物質なら働く力は引力になります。

仮想粒子も素粒子なのだから、粒子を受け渡しするなどと言っても、結局は素粒子どうしが直接ぶつかるということではないのか、と言われればそうなのかもしれないのですが、じゃその素粒子はどこにあるの？というと、これが量子力学的な話になって、どこにあるか分からない。つまり、大きさの無いもの同士がどこにあるか分からないような状態で”ぶつかって”いて、それが現実なんだけど、やっぱり私たちにはそれが想像できない。
だから色々調べて、数式つかって、起こる現象を計算できるようにしよう、そうすれば少しは理解できるんじゃないか、と頑張っているのです。

# と書いてみたけど、合ってるかどうか自信ないなぁｗ

お礼

やはり実験に合致する計算式からの要請により、粒子という表現をとらざるをえないということでしょうか？ありがとうございました。

回答No.1

アウストラロ ピテクス（@ngkdddjkk）

ボーズ粒子は、例えばフォノンなんかもそれに当たります。

電子がこのフォノンを交換して電磁相互作用をします。この場合、ボーズ粒子であるフォノンの放出、吸収過程で運動量の授受があり、電子に吸収されるのです。
これと同じで、フォトン(光量子)もエネルギー粒子(エネルギーを持つボーズ粒子)であるため、電子にエネルギー(運動量)を与えるものになるわけです。エネルギーの塊が実体のある電子に吸収され、電子は吸収した一瞬のうちに高いエネルギー準位に遷移します。他にボーズ粒子として、グラビトン、グルーオン、W粒子、Z粒子なとがあり、これらは物質間の相互作用時に交換されます。

大きさを議論できないのは、エネルギーの塊だからです。振動数を単位としたエネルギーを光量子は持つため、一つの光量子が電子に吸収された瞬間、電子が飛び出すだけのエネルギーを得ているのかどうかが、光電効果の本質です。

なぜ粒子かというと、万物は粒子か波かでしか考えられないからです。(ニュートンの運動方程式：粒子、シュレディンガー方程式：波)
ものがぶつかって、弾き飛ばされる時に考えるような運動量保存則は、粒子の考え方です。光電効果も、光からエネルギーをもらって弾き飛ばされるので、粒子と呼んでいるだけです。それは、あたかも鉄球同士の衝突が起きているかのように"考えられる"からです。

しかし、ふたを開けてみたら光は実態のないエネルギーの塊。しかし、粒子と書かれているがために、このような質問が出てきてしまうのです。もっと良い表現があれば良いのですがね。

ということで、光の実態は実はなんだかわからないのです。ある考えで考えると、実験結果はそうなった。じゃあその考え方は正しいって言うのが、世の流れ。
だって、光や電子がなんなのか。完全に解明した人はいないし、どういう実態かを見た人もいないからです。

ですので、大きさと言う概念を持たないものがエネルギーを電子に一瞬にして渡すっていうことがイメージできないのも、粒子という言葉に惑わされているからかもしれませんね。

補足

電磁相互作用を媒介するゲージ粒子がフォトンで、フォノンは音響量子と記憶していますが…。