FOTOELEKTRİK
OLAY
19.yy’ın son yarısındaki gelişmeler; ışığın bir metal yüzeye geldiğinde, metal yüzeyden elektronların yayınlandığını gösterdi.Bu olay FotoElektrik Olay yada FotoElektrik Etki olarak bilinir.Bu olay ilk defa Hertz tarafından gözlendi.(Hertz aynı zamanda ilk defa elektromanyetik dalga üreten bilim adamıdır).Bu olay sırasında yayınlanan elektronlara FotoElektronlar denir.Işık dalgalarının, salınan elektrik ve manyetik alanlar şeklinde oldukları biliniyordu.Bu enerjinin bir kısmının elektronlar tarafından soğurulması klasik fiziğe uygundu.Bu olayın ayrıntılarına girmeden önce FotoElektrik Olay deney düzeneğini inceleyelim.Aşağıdaki şekilde bu düzenek görülmektedir.
Havası boşaltılmış
bir cam yada kuvars tüpte bir güç kaynağının negatif kutbuna bağlı bir b
metal plakası bulunur.Diğer bir a metal plakası güç kaynağı tarafından
pozitif potansiyelde tutulur.Bunun faydası metal yüzeyinden koparılan
elektronları kendine doğru çekmesidir.Karanlık bir ortamda bu devreden akım
geçmediği Ampermetre tarafından gözlenebilir.Fakat metal plaka üzerine
monokromatik (tek renkli) bir ışık gönderildiğinde Ampermetre akımın geçtiğini
gösterecektir.Bu akımın değeri metalden koparılan elektronların sayısı ile
orantılıdır.Metal plakaya gönderilen ışığın şiddeti arttırıldığında akımın da
buna paralel olarak arttığı gözlenir.Eğer devredeki V potansiyeli düşük bir
değerde tutulursa; sadece kinetik enerjileri, potansiyel enerji engelini
aşabilen elektronlar diğer plakaya ulaşır.Bu bakımdan V potansiyeli
elektronların kinetik enerjileri bakımından büyük öneme sahiptir.Ayrıca V
potansiyeli ışınım şiddetinden bağımsızdır.V potansiyeli, Kinetik Enerji ile
aşağıdaki eşitlikte ifade edilir.
Formüldeki e
elektronun yüküdür.Vd ise devredeki durdurucu potansiyeldir.
1)
Gelen ışığın frekansı metalin cinsıne bağlıdır.Eğer metalin cinsine göre belli
bir değerin altında frekans ile (kesilim frekansının altında) ışık gönderilirse
elektron yayınlanmaz.Bu durum FotoElektrik olayın, ışık şiddeti yeteri kadar
yüksek olduğunda, her frekansta gerçekleşebileceğini söyleyen klasik fizikteki
dalga kuramı ile uyuşmaz.
2)
Işığın frekansı, kesilim frekansından büyükse elektron yayınlanır ve yayınlanan
fotoelektronların sayısı ışığın şiddetiyle orantılıdır.Fakat elektronların
maksimum
3)
Fotoelektronların maksimum kinetik enerjileri ışığın frekansı arttıkça artar.
4) Klasik
olarak elektronların metalden çıkmak için gerekli kinetik enerjiyi kazanmadan
önce, gelen ışınımı soğurmak için saniyeler mertebesinde bir zamana gereksinim
duymaları gerekir.Fakat FotoElektrik olayda elektronların, alçak ışık
şiddetlerinde bile, hemen hemen anında (yüzeye düştükten sonra 10-9
sn. sonra) yayınlandıkları görüldü.Bu durumda klasik fizik kanunları ile
açıklanamayan bir etki idi.
Işığın dalga modeli... Elektrik Alanlar ve Ona dik Manyetik Alanlar.
FotoElektrik olayın
başarılı bir açıklaması, 1905’te Einstein tarafından verildi.Einstein aynı yıl
özel görelilik kuramını da yayınladı.Einstein 1921’de Nobel ödülü aldığı
Elektromanyetik ışınım üzerine olan genel bir makalenin bir kısmında, Planck’in
kuantalanma kavramını elektromanyetik dalgalara genişletti.Einstein f frekanslı
ışığın, fotonların bir paketi olarak düşünülebileceğini varsaydı.Her bir foton
E = hf ile verilen bir E enerjisine sahiptir.Metalin yüzeyinden yayınlanan
elektronlar Kmax değerinde bir maksimum kinetik enerjiye sahip
olurlar.Einstein’a göre serbest bırakılan bu elektronlar için maksimum kinetik
enerji Ø metalin iş fonksiyonu olmak üzere aşağidaki gibidir.
İş fonksiyonu, bir
elektronu metale bağlayan ve birkaç eV mertebesinde olan minimum enerjiyi
gösterir.Işığın foton kuramı ile klasik kavramlar kullanılarak anlaşılamayan
FotoElektrik olayın özellikleri Einstein tarafindan aşağidaki maddelerle
açıklandı:
1)
FotoElektrik olayın belirli bir kesilim frekansının altında gözlenemediği
gerçeği vurgulanmıştır.Gelen fotonun enerjisi Ø ye eşit yada ondan büyük değilse,
ışığın şiddetine bakılmaksızın yüzeyden asla elektronlar fırlamayacaktır.
2)
Kmax ışığın şiddetinden bağımsızdır.Bu değer gelen ışığın frekansına
ve elektron koparılan metalın iş fonksiyonuna bağlıdır.
3)
Kmax artan frekans ile artar.Bu gerçeklik Kmax = h.f – Ø
eşitliği ile sağlanabilir.
4) Elektronların hemen hemen anında yayınlanmaları gerçeği, ışığın tanecik kuramı ile uyuşur.Çünkü gelen enerji, küçük paketler halinde görülür ve fotonlarla elektronlar arasında bire bir etkileşme vardır.