光電効果の可視化Photoelectric Effect Visualizer

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. セシウムに赤い光（波長 650 nm）を当てても電子が出ないとします。光の強度を最大まで上げれば、電子は出てくると思いますか。Suppose red light (650 nm) shining on cesium does not knock out any electrons. If you turn the intensity up to the maximum, do you think electrons will come out?💡 光を「波」と考えた場合と、「光子という粒の集まり」と考えた場合で、予想がどう変わるか比べてみましょう。Compare what you would predict if light were a wave with what you would predict if light were a stream of particles (photons).
2. 電子が出ているとき、光の強度を上げると、飛び出す電子の「数」と「速さ」はそれぞれどうなると思いますか。When electrons are being emitted, what do you think happens to the number of electrons and to their speed when the intensity is increased?💡 このシミュレーションでは「強度＝1秒あたりの光子の数」です。光子1個のエネルギーは強度で変わるでしょうか。In this simulation, intensity means the number of photons per second. Does the energy of one photon change with intensity?

2動かしてみようTry it

1. 最初の状態（波長 450 nm、光の強度 5、金属 セシウム）で、閾値波長 λ0 = 590 nm、光子エネルギー hf = 2.76 eV、KEmax = 0.66 eV を読み、陰極から電子が飛び出す様子と下のグラフのマーカーを確認する。In the starting state (Wavelength 450 nm, Intensity 5, Metal Cesium), read Threshold λ0 = 590 nm, Photon energy hf = 2.76 eV and KEmax = 0.66 eV, and watch the electrons leaving the metal plate and the marker on the graph below.
2. 「波長」を 650 nm にし、「光の強度」を 10（最大）にする。電子が出るか、「光電流(放出率)」と光子の数の表示を見る。Set "Wavelength" to 650 nm and "Intensity" to 10 (maximum). Check whether electrons come out, and read "Photocurrent" and the number of photons per second.
3. 「波長」を 450 nm に戻し、「光の強度」を 1 と 10 で切り替えて、「光電流(放出率)」（4 個/s と 40 個/s）と KEmax、画面上の電子の速さを比べる。Set "Wavelength" back to 450 nm and switch "Intensity" between 1 and 10. Compare "Photocurrent" (4 and 40 electrons/s), KEmax, and the electrons' speed on screen.
4. 「波長」を 300 nm まで短くし、hf と KEmax の値（4.13 eV と 2.03 eV）を読んで KEmax = hf − W（W = 2.1 eV）になっているか確かめる。Shorten "Wavelength" to 300 nm, read hf and KEmax (4.13 eV and 2.03 eV), and check that KEmax = hf − W (W = 2.1 eV).
5. 「金属」を 亜鉛 に切り替え、λ0 の表示（288 nm）と、300 nm で電子が出るかを確かめる。さらに「波長」を 250 nm にして、下の KE_max–f グラフでマーカーが傾き h・切片 −W = −4.3 eV の直線上にあることを見る。Switch "Metal" to Zinc, read the λ0 value (288 nm) and check whether electrons come out at 300 nm. Then set "Wavelength" to 250 nm and see on the KE_max–f graph that the marker lies on the line with slope h and intercept −W = −4.3 eV.

3確かめようCheck

1. セシウムに 650 nm の光を強度 10 で当てると、電子は出ましたか。なぜですか。When 650 nm light at Intensity 10 shines on cesium, are electrons emitted? Why?→ 出なかった（光電流 0 個/s、光子は 40 個/s 当たっている）。650 nm は λ0 = 590 nm より長く、hf = 1.91 eV が W = 2.1 eV より小さい（hf − W = −0.19 eV）ので、強度を上げても電子は出ない。No (Photocurrent 0 electrons/s even though 40 photons/s arrive). 650 nm is longer than λ0 = 590 nm, so hf = 1.91 eV is less than W = 2.1 eV (hf − W = −0.19 eV), and more intensity does not help.
2. 450 nm で強度を 1 から 10 にすると、電子の数と KEmax はどう変わりましたか。At 450 nm, how did the number of electrons and KEmax change when Intensity went from 1 to 10?→ 放出率は 4 個/s から 40 個/s に増えたが、KEmax は 0.66 eV のままで電子の速さは変わらなかった。The emission rate rose from 4 to 40 electrons/s, but KEmax stayed at 0.66 eV and the electrons' speed did not change.
3. 波長を 450 nm から 300 nm に短くすると KEmax はどうなりましたか。KEmax = hf − W は成り立っていますか。What happened to KEmax when the wavelength was shortened from 450 nm to 300 nm? Does KEmax = hf − W hold?→ KEmax は 0.66 eV から 2.03 eV に増え、電子が速くなった。hf = 4.13 eV、W = 2.1 eV なので 4.13 − 2.1 ≈ 2.03 eV で一致する。KEmax rose from 0.66 eV to 2.03 eV and the electrons moved faster. With hf = 4.13 eV and W = 2.1 eV, 4.13 − 2.1 ≈ 2.03 eV, so it matches.
4. 金属を亜鉛にすると λ0 はいくらになり、300 nm の光で電子は出ましたか。When the metal is changed to zinc, what is λ0, and does 300 nm light emit electrons?→ λ0 = 288 nm になり、300 nm は λ0 より長いので電子は出なかった（hf − W = −0.17 eV）。250 nm にすると KEmax = 0.66 eV で電子が出た。λ0 becomes 288 nm. 300 nm is longer than λ0, so no electrons came out (hf − W = −0.17 eV). At 250 nm, electrons were emitted with KEmax = 0.66 eV.

4考えようThink further

1. KE_max–f グラフで、セシウム・ナトリウム・亜鉛の直線が互いに平行なのはなぜですか。横軸との交点は何を表しますか。On the KE_max–f graph, why are the lines for cesium, sodium and zinc parallel? What does the point where each line crosses the horizontal axis mean?→ KE_max = hf − W の傾きはプランク定数 h で、金属によらないから平行になる。金属で違うのは切片 −W だけ。横軸との交点は KE_max = 0 となる限界振動数 f0 = W/h（λ0 = c/f0 = hc/W）を表す。The slope of KE_max = hf − W is Planck's constant h, which is the same for every metal, so the lines are parallel; only the intercept −W differs. The crossing point is the threshold frequency f0 = W/h where KE_max = 0 (λ0 = c/f0 = hc/W).
2. 光を「波」と考えると、強い光ほど電子に多くのエネルギーを与えそうです。この結果は光についてどんなことを示していますか。If light were only a wave, brighter light should give electrons more energy. What do these results tell us about light?→ 電子は光子1個からエネルギー hf を受け取り、それが W を超えるかどうかで放出が決まる。強度は光子の数を変えるだけで1個のエネルギーは変えない。つまり光はエネルギー hf の粒（光子）としてふるまう。An electron takes the energy hf of a single photon, and emission depends on whether that exceeds W. Intensity only changes the number of photons, not the energy of each one. So light behaves as particles (photons) of energy hf.

よくある誤解Common misconceptions

• 「光を十分に強くすれば、どんな色の光でも電子は飛び出す」という誤解。実際は λ > λ0 では強度最大でも電子は出ない。"If the light is bright enough, any color will knock out electrons." In fact, when λ > λ0, no electrons are emitted even at maximum intensity.
• 「強い光ほど飛び出す電子が速い」という誤解。強度は電子の数を増やすだけで、最大運動エネルギーは振動数で決まる。"Brighter light makes faster electrons." Intensity only increases the number of electrons; the maximum kinetic energy is set by the frequency.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)