アインシュタインのノーベル賞受賞研究
ノーベル賞の公式ウェブサイトでは、アインシュタインの受賞理由が端的に述べられています。
The Nobel Prize in Physics 1921 was awarded to Albert Einstein “for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect”
受賞理由を直訳すると「理論物理学への貢献、特に光電効果の法則の発見に対して」となります。
ここでは光電効果とはどんな現象か、アインシュタインはどのように理論物理学に貢献したのか、少しご紹介しましょう。
光電効果とは、金属に光を当てたとき金属から電子が飛び出す現象のことです。金属板と電流計を組み合わせた装置で観察できます。
あらかじめ金属板に電子を与えておき、この金属板に光を当てます。電流は電子の流れですから、電流計を見ると、金属板から電子が流れ出ていることがわかります。
この実験で金属板に当てる光を強くすると、出てくる電子もより大きなエネルギーをもちそうです。
ところが、出てくる電子の数は光の強さに比例して増えるけれど、その最大エネルギーは変化しないことがわかっていました。こうした結果は、光を波とする考えでは説明できません。
1905年、アインシュタインは物理学年報（Annalen der Physik）に、光量子仮説についての論文を発表しました。
光量子仮説とは、光はエネルギーをもった粒子（光量子）であるとする仮説のことです。
17世紀頃から、光を波であるとする波動説と光を粒子とする粒子説が登場し、論争が繰り返されていました。光量子仮説は、光の粒子性を導入し体現する説となりました。
アインシュタインはこの仮説を用いて光電効果の観測事実をよく説明し、金属板から出てくる電子のエネルギーを式で表すことができました。これを光電効果の法則といいます。
光量子仮説の「量子」は、19世紀末に物体が放つ電磁波に関する研究で登場した概念です。
アインシュタインは光だけでなく、固体中の原子の振動にも量子の考え方を応用して理論上の問題を解決し、量子をベースとした物理学、量子力学のスタートを切りました。
