1-1-1. 電磁波

Electromagnetic Waves

光電効果

定義

振動数 $\nu$ ，波長 $\lambda$ の光子 $1$ つが持ちうる最大運動エネルギー $E_k$ は，プランク定数を $h$ ，光速を $c$ として次のように与えられる。

E_k=h\nu = \dfrac{hc}{\lambda}

説明

右辺は伝搬速度 $v$ ，振動数 $f$ ，波長 $\lambda$ の波について成り立つ波のの基本公式

v=f\lambda

により導かれる。アインシュタインはこの式を提唱するにあたり，光のエネルギーの量子である光子の存在を仮定し，光は粒子の性質をもちうるとした。詳細は物理の原子物理，電磁気学を見よ。

物質に電磁波を照射すると，物質中の電子は励起され，ときに放出される。これを光電効果という。このうち電子が放出されるような光電効果は外部光電効果と呼ばれ，光は波であることを実験で証明したハインリヒ・ヘルツが発見，アインシュタインが光子論説を提唱することで理論化された。電子を静止状態から叩き出し，さらに運動させるには，外部からエネルギーを与える必要があるため，この現象は実質的に光がエネルギーを持つことを示している。

現代の光（可視光・赤外線・紫外線・X線）の観測においては，電子の励起のみが起こる内部光電効果が用いられている。半導体（シリコンなど）に光子が入射し，光子のエネルギー $E$ を電子が受け取ると，電子が束縛を飛び越えて、自由に動ける電子（伝導電子）になるため，その数を電圧として読み取る。

電磁誘導

公式

受信機の負荷抵抗を $R$ とし，回路をインピーダンス整合させたとき、単位時間あたりに回路へ流れ込むエネルギー $P$ は，電圧の実効値 $V_{\text{rms}}$ を用いて次のように求める。

P = \frac{{V_{\text{rms}}}^2}{R}

導出

説明

アンテナの金属に電波（交番電場）が当たると、電磁誘導によって高周波の交流電圧 $v(t)$ が生じる。