Fotoelektrik Olay Nedir?
Fotoelektrik olay başlığına geçmeden önce bu olayın fizikte hangi rolü üstlendiğine, ne gibi sonuçlar doğurduğuna ve ne gibi anlamlar içerdiğine bir göz atalım.
19. yüzyılın sonları klasik fizik artık tamamlanması yolunda son adımlarını atarken kendisini neyin beklediğinin farkında değildi. Klasik fizik perspektifinden bakıldığında ışık için dalga kuramıyla açıklanamayan bir dizi problemler ortaya çıkmıştı. Örnek verecek olursak klasik fiziğin öngörüleri, kara cisim ışımasını açıklayamıyordu. Neyse ki Max Planck duruma el koyup ışığın, enerji paketçikleri yani kuantalar (ileride foton adını alacak olan) halinde taşındığını öngördü ve ışığın parçacık kuramına yepyeni bir bakış açısı getirdi, böylece ışığın dalga/parçacık ikilemi yeniden fiziğin gündemine geldi.
Kara cisim ışınımının anlaşılmasından sonra Heinrich Hertz’in varlığını gözlemlediği ancak klasik fizik perspektifinden tam olarak açıklığa kavuşturamadığı fotoelektrik olayda 1905 yılında Albert Einstein tarafından Planck’ın öngörüleri genişletilerek açıklandı ve kuantum çağının başlamasıyla Modern fiziğin hegemonyası altına girildi.
Nedir Bu Fotoelektrik Olay?
Fotoelektrik olay, ışık demetinin bir metal levha (Katot) üzerine düşürülerek, o levhadan elektron koparılması olayıdır.
Peki Bu Olayın Modern Fizikle İlgisi Ne?
Fotoelektrik olayda metal levhadan elektron koparabilmek için gönderdiğimiz ışık demetinin frekansının belirli bir düzeyden fazla olması gerekir. Bu düzeye metalin eşik enerjisi yahut iş fonksiyonu adını veriyoruz. Gönderdiğimiz ışık hüzmesinin enerjisi metalin eşik enerjisinden küçük olursa metalden elektron koparmak mümkün olmuyor. Klasik fizik bu noktada ışığın dalga kuramı ile çözüm aramakla mükellef. Dalga kuramı der ki; eğer bir metal levha üzerine frekans önemi gözetmeksizin yeteri şiddette ışık gönderilecek olur ise elektron koparmak mümkün hale gelir. İşin klasik fiziğin açıkladığı gibi olmaması modern fiziğin doğumuna yol açmıştır bu bağlamda fotoelektrik olayın bir kilometre taşı olduğunu söyleyebiliriz.
Bir fotonun enerjisi E=h.f bağıntısı ile bulunur. Denklemden yola çıkılarak fotonun enerjisinin frekans ile doğru orantılı olduğu anlaşılır. Işık enerjisini onun şiddeti ile orantılı olduğu şeklinde açıklayan klasik fiziğin, fotoelektrik olayı açıklayamamasının sebebi budur çünkü E=h.f bağıntısında ışık şiddetine dair bilgi olmadığı gibi frekans gözetilmiştir.
Buradan çıkarılacak sonuç gönderdiğimiz ışık demetinin enerjisi, metalin eşik enerjisinden düşük ise istediğimiz şiddette ışık gönderelim yinede o levhadan ışık koparamayacağımızdır. Çünkü ışık şiddeti birim zamanda gönderilen foton sayısıdır. Foton sayısını artırmak, yörüngeden elekton koparmak için lazım olan bir gereklilik değildir.
Her bir foton metal yüzeyden sadece bir elekton kopmasına yardımcı olur. Gönderdiğimiz fotonların frekansını artırarak enerjilerini artımış oluruz (E=h.f). Böylelikle metal yüzeye düşen foton, enerjisini elektrona aktararak yüzeyden koparılmasını sağlar (Eğer fotonun enerjisi, metalin eşik enerjisine eşit yahut daha fazla ise).
Katot metale gönderdiğimiz fotonun enerjisi, metalin eşik enerjisinden büyük ise foton enerjisinin bir kısmını elektronu yörüngeden koparmak için harcarken geride kalan enerjisini elektrona kinetik enerji olarak bırakır ve bu sayede anot metale ulaşan elektronlar devrede bir akım meydana getirir. Kopan elektronun kinetik enerjisini bulmak için şu bağıntıyı kullanırız ;
EF=EB+EK EF=Fotonun enerjisi (h.f), EB=Metalin eşik enerjisi aşağıdaki bağıntıda iş fonsiyonu olarak kullanacağız EK= Kopan elektronun kinetik enerjisi
Denklemi detaylandıralım;
EK=h.ƒ-Φ EB=Φ (İş Fonksiyonu) , EF= h.ƒ
Φ= h.ƒo (ƒo= metalin eşik frekansıdır. E= h.ƒ denkleminde yerine yazılacak olur ise metalin eşik enerjisini elde ederiz)
Yukarıdaki denklemlerin bize anlattığı şey metal levhadan elektron koparabilmek için yeterince ışık enerjisine sahip olmamız gerektiği. Yeteri enerji için ise frekansı artırıp, dalga boyunu küçültmemiz yeterli olacaktır. (E=h.f, f=c/ λ, dolayısıyla E=h.c/λ bağıntısı ortaya çıkar ve bize enerji ile dalga boyunun ters orantılı olduğunu söyler.
Dalga boyu büyük, frekansı küçük olan kırmızı ışık metalden elektron koparamamış buna kıyasla metalin eşik enerjisinden (İş Potansiyeli) fazla enerjiye sahip olan yeşil ve mor ışık elektron koparmış fakat mor ışığın enerjisi daha fazla olduğu için kopardığı elektrona daha fazla enerji aktarmış.
Işık şiddetini arttırmanın yeteri frekans aralığı yoksa elektron koparmaya yaramayacağından bahsetmiştik fakat elektron koparmaya yetecek frekansta ışık demetimiz var ise ışık şiddetini arttırarak devrede oluşacak olan akım şiddetini arttırmış oluruz çünkü bir elektron bir foton kopardığına göre daha çok foton daha çok elektron kopartacaktır.
Elektron koparmak için baş aktörlerden biriside metalin eşik enerjisidir. Metallerin karakteristik özellikleri farklı olduğu için eşik enerjisi düşük bir metal kullanmak düşük enerjili ışıkta bile elektron koparmaya yarayabilir.
Fotoelektrik Olay Nerelerde Kullanır?
Fotoelektik olay, ışık enerjisi ile elektrik enerjisi üretildiği için birçok alanda kullanıma uygun bir fenomendir. Basit otomatik sensörler, Fotoelektron spektroskopisi, Elektroskop türevleri, Işılçoğatıcılar, Gece görüşlü araçlar ve yine uzay görevleri için tasarlanan araçlarda kullanılır.
Ve aynı zamanda Einstein’ın nobel ödülü almasına vesile olan çalışmasıdır.
