Fotoelektrik Olay Nedir

0
1587
fotoelektrik olay nedir

Merhaba arkadaşlar bu yazımızda fotoelektrik olay, fotoelektrik olayının formüllerle açıklanması ve fotoelektrik olay hayatımızın neresinde ile ilgili örnekler vererek açıklamaya çalışacağım sizlere. 19. yüzyılın sonlarında deneyler, bazı belirli metal yüzeyleri üzerine düşen ışığın yüzeylerden elektron yayınlanmasına neden olduğunu gösterdi. İlk olarak bu olay (görüngü) fotoelektrik olay olarak bilinir.

fotoelektrik olayı
Şekil 1

Şekil 1’de fotoelektrik olay ile ortaya çıkacağı bir düzeneğin diyagramıdır. İçindeki hava boşaltılmış cam veya kuartz tüp içinde, bir bataryanın negatif ucuna bağlı E metal plakası ve aynı bataryanın pozitif ucuna bağlı C metal lev­hası vardır. Tüp karanlıkta iken devreden hiçbir akım geçmediği için sıfır ampermetre değeri gösterir. Fakat E plakası dalga boyu belirli bir dalga boyundan daha kısa olan bir ışıkla aydınlatılırsa, ampermetre, E ve C plakaları arasın­daki boşlukta yük akışı olduğunu gösteren bir akımın devreden geçtiğini gösterir. Bu akım negatif levhadan (yayımlayıcı/emitör) yayımlanan ve pozitif levha (toplayıcı/kollektör) tarafından toplanan foto elektronlardan oluşur.

Şekil 1 de, E ve C levhaları arasındaki potansiyel farkı ΔV nin fonksiyo­nu olarak fotoelektrik akımının iki ışık şiddeti için grafikleri görülmektedir. ΔV nin büyük değerlerinde akım bir maksimum değere erişmektedir. Ayrıca akım, beklendiği gibi ışığın şiddeti arttıkça büyümektedir. Son olarak ΔV negatif olduğunda yani E levhası pozitif, C levhası negatif olacak şekilde bataryanın uçları ters bağlandığında, yayınlanan foto elektronların çoğu şimdi nega­tif olan C plakası tarafından itildiğinden akım çok küçük bir değere düşer. Bu durumda yalnızca, kinetik enerjisi, e elektron yükü olmak üzere, V nin mut­lak değerinden daha büyük olan foto elektronlar C levhasına ulaşabilirler.

fotoelektrik akımı
Şekil 2

ΔV, durdurma potansiyeli –ΔVs ye eşit veya ondan daha negatif olduğunda, hiçbir foto elektron C ye varamaz ve akım sıfır olur. Durdurma potansiyeli ışı­ma şiddetinden bağımsızdır. Foto elektronların maksimum kinetik enerjisi durdurma potansiyeline

KMAX =eΔVs    (2)

eşitliği ile bağlıdır.

Fotoelektrik olayın birçok özelliği klasik fizik veya ışığın dalga kuramı ile açıklanamaz:

Kullanılan ışığın frekansı, aydınlatılan maddenin karakteristiği olan bir kesilme frekansı ƒc nin altında ise hiçbir foto elektron yayınlanmaz. Bu, ışık şiddeti yeteri kadar yüksek olmak üzere fotoelektrik olayın her bir fre­kans değerinde ortaya çıkması gerektiğini öngören dalga teorisi ile çelişir.

Foto elektronları maksimum enerjileri ışık şiddetinden bağımsızdır. Dalga teorisine göre daha yüksek şiddetli ışık metal üzerine birim zamanda da­ha çok enerji taşımalıdır ve bu nedenle metalden koparılan elektronların kinetik enerjileri daha büyük olmalıdır.

fotoelektrik olayFoto elektronların maksimum kinetik enerjileri ışık frekansı büyüdükçe artmaktadır. Dalga teorisi foto elektron enerjisi ile gelen ışığın frekansı arasında hiçbir ilişki öngörmez.

Düşük ışık şiddetlerinde bile yüzeyden hemen hemen anında (yüzey ay­dınlatıldıktan sonra 10-9 s den daha kısa bir süre içinde) foto elektronlar yayınlanır. Klasik olarak, foto elektronların metalden kaçmaya yetecek ka­dar kinetik enerji depolamak için belli bir süre gelen ışımayı soğurmaları­nı bekleriz.

Fotoelektrik olayın başarılı bir açıklaması Einstein tarafından, özel göreli­lik kuramını yayınladığı yıl olan 1905 de verildi. 1921 yılında Nobel Ödülü al­masına neden olan elektromanyetik ışıma konusundaki genel bir çalışmanın bir parçası olarak Einstein, Planck’ın elektromanyetik dalgaların kuantumlanması kavramını genişletti. Einstein f frekanslı ışığın (veya herhangi bir başka elektromanyetik dalganın) bir foton seli olarak düşünülebileceğini varsaydı. Her bir foton E=hƒ kadar enerjiye sahiptir. Fotonların fikir verici, temsili bir resmi şekil 3 de gösterilmiştir.

fotonlar
Şekil 3

Einstein modelinde bir foton öyle lokalize olur ki, tüm enerjisi hƒ yi metal­deki tek bir elektrona verir. Einstein’a göre bu kurtarılmış foto elektronların maksimum kinetik enerjisi gibidir, burada Φ ye metalin iş fonksiyonu adı verilir.

KMAX =hƒ – Φ   (3)

İş fonksiyonu, elektron­ları metalden koparmak için gerekli olan en küçük enerjiyi temsil eder ve bir­kaç elektronun volt mertebesindedir. Çeşitli metaller için iş fonksiyonları tab­lo 1 de listelenmiştir.

metallerin ayrımı
Taplo 1

Işığın foton teorisi ile, fotoelektrik olayın biraz önce listelediğimiz ve kla­sik fizik kavramlarını kullanarak anlayamadığımız özelliklerini açıklayabiliriz:

Olayın belli bir kesilme frekansının altında gözlenmemesinin nedeni, fo­ton enerjisinin Φ ye eşit veya daha büyük olması gerektiği gerçeğidir. Ge­len fotonun enerjisi bu şartı sağlamazsa, ışık şiddeti ne olursa olsun, elekt­ronlar asla yüzeyden koparılamazlar.

KMAX şiddetinden bağımsız oluşu şu tartışmalardan anlaşılabilir: ışık şiddeti iki katına çıkarsa, foton sayısı da iki katma çıkar bu da yadım­lanan fotoelektron sayısının iki katma çıkmasına neden olur. Ancak, foto elektronların hƒ-Φ ye eşit olan maksimum enerjisi, yalnızca ışığın frekan­sı ve iş fonksiyonuna bağlıdır, ışık şiddetinden bağımsızdır.

KMAX  un frekans arttıkça artması Eş. 3 den kolayca görülebilir.

Foto elektronların hemen hemen anında yayımlanmaları, ışığın parçacık teorisi ile uyumludur. Bu teoride enerji yüzeye küçük paketler halinde ulaşır ve fotonlarla foto elektronlar arasında bire bir etkileşme vardır. Bu etkileşmelerde fotonun enerjisi bütünüyle tek bir elektrona aktarılır, böylece elektron metalden kurtulmaya yetecek kadar enerji sahibi olur. Bu, gelen enerjinin metal yüzeyinin geniş bir bölgesine homojen olarak dağı­lacağını söyleyen dalga kuramı ile çelişkilidir.

ışık frekansı
Şekil 4

KMAX  ile ƒ arasındaki lineer bağıntının deneysel gözlemi Einstein kuramı­nın son bir doğrulanması olmuştur. Gerçekten Şekil 4 da çizilene benzer bir lineer bağıntı gözlenir. Doğrunun yatay ekseni kesim noktası, ışık şiddeti ne olursa olsun altında hiçbir foto elektronun yayınlanmadığı kesilme frekan­sını verir. Kesilme frekansı iş fonksiyonuna ƒc=Φ/h eşitliği ile bağlıdır. Kesil­me frekansı, bir kesilme dalga boyuna

dalga boyu formülü
40.9

bağıntısı ile karşı gelir, c ışık hızıdır. İş fonksiyonu Φ olan bir madde üzerine gelen λc den daha büyük dalga boyları, hiçbir foto elektron yayınlanmasına neden olamazlar.

Fotoelektrik Olay Hayatımızın Neresinde?

Fotoelektrik olayın ilk pratik kullanımlarından biri, fotoğraf makinalarının pozometrelerindeki (ışık şiddeti ölçer) dedektörlerdir. Fotoğraf çekilecek cisimden yansıyan ışık pozometredeki fotoelektrik yüzeye çarpar ve hassas bir ampermetreden geçen foto elektronların yayınlanmasına neden olur. Ampermetreden geçen akımın büyüklüğü ışık şiddetine bağlıdır.

Fotoelektrik olayın ilk uygulamalarından bir diğeri olan fototüp, daha çok bir elektrik devresindeki anahtar gibi çalışır. Fototüpteki metal levha üzerine yeteri kadar yüksek frekanslı ışık düştüğünde fototüp bir akım oluşturur, fakat karanlıkta fototüpten hiçbir akım geçmez. Fototüpler hırsız alarmlarında ve sinema filmlerinin ses kayıtlarının okunmasında kullanılırdı. Şimdilerde fotoelektrik olaya dayalı eski aletlerin yerini modern yarı iletken araçlar almaktadır.

Bu yazımda fotoelektrik olay hakkında konu anlatımı yaptım. Diğer yazımda görüşmek üzere.

Değerlendirme
Beğeni
Paylaşır mısınız?
Önceki İçerikDe Broglie Dalga Boyu
Sonraki İçerikHarita Mühendisliği Maaşları
Oğuzhan Mallı
Merhaba Ben Oğuzhan Mallı Mühendis Beyinler sitesinin editörüyüm, Bir süre Karadeniz Teknik Üniversitesinde Elektrik ve Elektronik mühendisliği okuduktan sonra, yurtdışında eğitimime devam etmekteyim. Advanced seviyesinde İngilizce ve Rusça bilmekteyim. Yazılarımda yaptıklarımla, düşüncelerimle ilgili pek çok şey bulabilirsiniz. Yorumlarınız, düşünce ve tavsiyeleriniz benim için çok önemli. Yalnızca “Merhaba, buralardaydım.” demek için dahi olsa vakit ayırıp bıraktığınız her bir yorum için çok teşekkür ederim. Bütün yorumlara cevap vermeye çalışıyorum.

Düşünceleriniz Nedir?