Fotoelektrik Olay

Fotoelektrik olay, ilk kez 1800'lerin sonlarında keşfedilmiş, optik bilimine aykırı sonuçlar veren bir fenomendi. O zamanlar yaygın kabul bulan, ışığın klasik dalga teorisine ciddi şekilde meydan okumuştur. Bu fizik ikilemini ortadan kaldıran isim Einstein'dır ve 1921'de bu çalışması ona Nobel Ödülü kazandırmıştır.


Foto Elektrik Olay Nedir?

İlk olarak 1839'da gözlenmesine rağmen fotoelektrik olay ilk defa 1887'de Heinrich Hertz tarafından belgelenmiştir. Aslında fotoelektrik olay, ilk zamanlarda Hertz Olayı olarak adlandırılıyordu, fakat zamanla bu ifade kullanımdan çıkmıştır.

Bir metalik yüzeye ışık kaynağı (daha genel ifadeyle elektromanyetik ışınım) düştüğünde yüzeyden elektron yayımlanabilir. Bu şekilde yayımlanmış elektronlar da (elektron özellikleri değişmemesine rağmen) fotoelektronlar olarak adlandırılır.


Fotoelektrik Olayı Oluşturmak

Fotoelektrik olayı gözlemlemek için, bir ucunda fotoiletken bir metal, diğer ucunda toplayıcı (kollektör) olan, havasız(vakum) bir düzenek oluşturulur. Işık metal yüzeye değdiği anda elektronlar yayımlanır ve bu elektronlar toplayıcıya doğru hareket eder. Bu durum, düzeneğin iki ucuna bağlanmış bir telde, ampermetreyle ölçülebilecek bir akım oluşturur.



Düzenekteki elektronların ulaşabileceği maksimum Potansiyel değeri, Durdurma Potansiyeli (Vs) olarak adlandırılır ve bu değer elektrik yükü "e" olan elektronların maksimum kinetik enerjisini (Kmax) hesaplamak için şu denklemde kullanılır:

Kmax = eVs

Düzenekteki tüm elektronların enerjisi aslında budur, fakat kullanılan metalin özelliklerine bağlı olarak elektronlar belli oranlarda enerji kaybederler. Yukarıdaki denklem, maksimum kinetik enerjiyi, diğer deyişle metal yüzeyden çok yüksek hızla saçılan elektronların enerjisini hesaplamamıza izin verir.


Klasik Dalga Açıklaması

Klasik teoriye göre elektromanyetik ışıma dalgalar şeklinde yayılır. Elektromanyetik dalga yüzeyle çarpıştığında, elektronlar bağlayıcı enerji seviyesini aşıp metalden kurtulana kadar bu dalgaların enerjisini emer. Elektronun metalden kurtulmak için ihtiyaç duyduğu enerji miktarına İş Fonksiyonu denir. (Farklı fotoelektrik malzemeler farklı İş Fonksiyonu değerlerine sahiptir.) Buna göre klasik açıklamayla üç temel öngörü oluşturulur:

1- Koparılan elektronların maksimum kinetik enerjisi, ışık şiddeti ile orantılı olmalıdır.
2- Fotoelektrik olay, frekans ve dalgaboyuna bakılmaksızın her ışık kaynağıyla oluşabilmelidir.
3- Işığın yüzeye teması ile fotoelektronun yayımlanması arasında belli bir bekleme süresi olmalıdır.


Deneysel Sonuçlar

1902'de fotoelektrik olayın özellikleri deneysel olarak mükemmel şekilde tespit edilmiş bulunuyordu. Deney sonuçları ise şunları gösteriyordu:

1- Işık kaynağının şiddetinin, fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi üzerinde etkisi yoktur.
2- Belli bir frekansın altında fotoelektrik olay hiçbir zaman oluşamaz.
3- Işık kaynağının yüzeye ulaşması ile ilk elektronların yayımlanması arasında bekleme süresi yoktur.

Kolayca görüldüğü gibi bu üç sonuç, dalga teorisi öngörülerine tam olarak zıttır. O zamanlarda bu sonuçların sezgisel olarak da anlaşılması çok güçtü. Enerji taşımasına rağmen neden düşük frekanslı ışık fotoelektrik olay yaratmıyordu? Fotoelektronlar nasıl bu kadar hızlı şekilde yayımlanıyordu? Ve, belki de en merak edileni, ışığın şiddeti arttırıldığında neden yayımlanan fotoelektronların enerjisi yükselmiyordu? Birçok durumda mükemmel işleyen dalga teorisi, bu olayı açıklamakta tamamen başarısız kalmıştı.


Einstein'ın Olağanüstü Yılları

1905'te Albert Einstein Annalen der Physik dergisinde, her biri kendi başına Nobel Ödülü hak ettiren 4 adet makale yayımladı. İlk makale (aynı zamanda Nobel ile ödüllendirilmiş olan tek makale) fotoelektrik olayı açıklıyordu. Konuyu Max Planck'ın Karacisim Işıması teorisi üzerinde ele alarak Einstein, ışınım enerjisinin dalga içinde sürekli dağılmış halde olmadığını fakat küçük demetler şeklinde mevzilenmiş olduğunu (daha sonra foton olarak adlandırıldı) öne sürdü. Fotonun enerjisi, Planck sabiti (h) olarak bilinen orantı sabitinin aracılık yaptığı, frekansla (γ) ilişkiliydi:

E = hγ

Einstein'ın teorisine göre, bütün olarak dalgayla etkileşmek yerine, tek bir fotonla etkileşmesinin sonucu olarak bir fototelektron kopar. Fotonun anlık şekilde tek bir elektrona transfer ettiği enerji, eğer metalin İş Fonksiyonu'ndan yüksek ise elektronun kopmasını sağlar. Eğer enerji çok düşükse, herhangi bir elektron kopmaz. Bununla birlikte eğer foton, İş Fonksiyonu'ndan (Φ) yüksek bir enerjiye sahipse, bu fazla enerji kopan elektronun kinetik enerjisine dönüşür:

Kmax = hγ - Φ


Aynı zamanda Einstein'ın teorisi maksimum kinetik enerjinin, ışığın şiddetinden tamamen bağımsız olduğunu da söyler. Işığın şiddetini iki kat arttırmak foton sayısını iki kat yükseltmek anlamına gelir ki bu, daha fazla elektron yayımlanması demektir, fakat bu elektronların maksimum kinetik enerjisi asla değişmez. Işığın enerjisi değişmediği sürece şiddetin değişmesinin bu duruma bir etkisi yoktur.

Fotonun koparmayı başardığı fakat kinetik enerjinin sıfır olduğu fotoelektronları düşünelim. Kmax'ı sıfıra eşitleyip, buna bağlı olarak frekansı hesaplarsak:

γ = Φ / h      olur.

Bu denklem aslında, düşük frekanslı ışık kaynağının neden metalden elektron koparamadığını açıklar.


Einstein'dan Sonra

Fotoelektrik olay üzerinde 1915 yılında Robert Milikan tarafından yapılan deneyler Einstein'in bu teorisini kesin biçimde doğrulamıştır. Einstein, fotoelektrik olaya uyarladığı foton teorisi için 1921'de ve Milikan da fotoelektrik deneyleri sayesinde 1923 yılında Nobel ödülü almışlardır. Fotoelektrik olay ve foton teorisi klasik dalga teorisini derinden sarsmıştır. Işığın dalga doğası da Einstein'ın bu çalışmalarından sonra inkar edilemez olmuş ve ışığın hem dalga hem de parçacık özellikleri gösterdiği kabul edilmiştir.


Benzer Yazılar
FİZİK MAKALELERİ şimdi Google Play Kitaplar'da

5 yorum :

Adsız dedi ki...

güzel olmuş yapanların eline sağlık

Adsız dedi ki...

işime yaradı elinize sağlık

Adsız dedi ki...

Tebrik ederim, yeteri kadar akademik ve herkesin anlayabileceği kadar öz olmuş. Emeklerinize sağlık.

Adsız dedi ki...

Süper olmuş

Adsız dedi ki...

İşime yaramadı ben fotoelektrik olayı ile frekansın ilişkisini araştırıyorum ama burada tam aradığım gibi ifadeler bulamadım maalesef.

Yorum Gönder

Yorum Yap