物理 > 動く解説 > 物理 第5編 原子｜第1章 電子と光
光電管の陰極に光を当てると，電子が飛び出して陽極に届き，電流が流れる。陽極の電圧を上げていくと，電流は増え，ある所から一定になる（飽和電流）。では，飽和電流をもっと大きくするには，電圧をもっと上げればよいだろうか。
電圧をいくら上げても，飽和電流は大きくならない。飽和電流を決めるのは光の強さ（光子の数）。電圧が変えるのは，飛び出した電子のうち陽極に届く割合だけ。
なぜ電圧では決まらないのか。「飛び出す数」と「そのうち届く数」を分けて考える。
電流の正体（解説①），電圧が変えるもの（解説②），光を強くしたとき（確かめ）の順に見る。
電流は，1 秒に陽極へ届く電気量。電子 1 個の電気量を \(e\)，1 秒に届く電子の数を \(N\) とすると，
\(I = eN\)
光子 1 個が電子 1 個を飛び出させる。1 秒に当たる光子の数は光の強さで決まるので，光の強さが同じなら，1 秒に飛び出す電子の数は一定。電圧には，よらない。
電子は，いろいろな向き・速さで飛び出す。陽極の電圧が低いうちは，向きによっては陽極に届かない（図の灰の電子）。
電圧を上げると，電子は陽極に引きつけられ，届く割合が増える。だから電流が増える。
全部が届くと，1 秒に届く数 ＝ 1 秒に飛び出す数。それ以上電圧を上げても \(N\) は増えないので，電流は一定（飽和電流）。
電圧を上げると，飛び出す電子が増える？ 飛び出す数は光（光子の数）が決める。電圧が変えるのは，そのうち陽極に届く割合だけ。
電子が速くなるから，電流は増え続ける？ 電流は 1 秒に届く電気量 \(eN\)。電子が速くなっても，届く数 \(N\) が増えなければ電流は増えない。
光を 2 倍に強くすると，1 秒に当たる光子の数が 2 倍。飛び出す電子の数も 2 倍になる。
届く割合の変わり方は同じなので，どの電圧でも電流は 2 倍。飽和電流も 2 倍になる。
光の強さ（光子の数）で決まる。光を 2 倍にすると 2 倍。
飛び出した電子のうち，陽極に届く割合を変えるだけ。
陽極の電圧を負にしていくと，電子は押し戻され，電流が 0 になる（阻止電圧 \(V_0\)）。届くかどうかを決めるのは，いちばん速い電子の運動エネルギー \(K_0 = h\nu - W\) で，\(eV_0 = K_0\)。\(K_0\) は光子 1 個のエネルギーで決まるので，光を強くしても阻止電圧は同じ（上の「確かめ」の図で，2 本の曲線は同じ電圧で 0 になる）。
波長 \(4.2\times10^{-7}\) m の紫の光なら，光子 1 個のエネルギーは，波の基本式 \(c = \nu\lambda\) から \(h\nu = \dfrac{hc}{\lambda} \fallingdotseq 4.7\times10^{-19}\) J（\(h = 6.6\times10^{-34}\) J·s，\(c = 3.0\times10^{8}\) m/s）。強さ \(1.0\times10^{-3}\) W（1 秒に \(1.0\times10^{-3}\) J）の光では，1 秒に当たる光子の数は
\(N = \dfrac{1.0\times10^{-3}}{4.7\times10^{-19}} \fallingdotseq 2.1\times10^{15}\)
光子 1 個が電子 1 個を飛び出させ，全部が陽極に届くなら，飽和電流は \(I = eN \fallingdotseq 3.4\times10^{-4}\) A になる。