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.

  Kmax = e . Vd

Formüldeki e elektronun yüküdür.Vd ise devredeki durdurucu potansiyeldir. FotoElektrik olay bir çok bakımdan Klasik Fizığe aykırı bir durum teşkil etmekteydi. FotoElektrik olayın Klasik Fizikle açıklanamayan gözlemleri şunlardır:

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 kinetik enerjisi ışığın şiddetinden bağımsızdır.Bu özellik, Klasik Fizik kanunları ile açıklanamaz.

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.

  Kmax = h.f – Ø

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.