Fotoelektrik etki

Vikipedi, özgür ansiklopedi
Atla: kullan, ara

Fotoelektrik etki, bir kaynaktan yayılan ışık veya daha yüksek enerjili elektromanyetik dalganın (morötesi ışın veya x-ışını) bir madde (metaller, metal olmayan katılar, sıvılar veya gazlar) yüzeyine düşmesi sonucu maddeden elektron yayınlanması olayıdır. Maddeden yayınlanan bu elektronlar fotoelektron olarak adlandırılır. Olayı ilk olarak Heinrich Rudolf Hertz, elektromanyetik dalgaların varlığını deneysel olarak göstermeye çalışırken gözlemlemiş olduğundan bu olaya Hertz etkisi de denir ancak günümüzde bu isim kullanılmamaktadır. Olay deneysel olarak gözlenmiş fakat 1905 yılında Albert Einstein tarafından açıklanana kadar olaya klasik fizik yasaları ile bir anlam verilememiştir.

Maxwell'in klasik dalga teorisine göre; yayılan elektronların enerjisi, çarpan ışığın şiddeti ile orantılı olmalıydı. Ancak gözlemler sonucu yayılan elektronların enerjilerinin ışık şiddetinden bağımsız olduğu ortaya çıkmıştı. Einstein, Planck'ın foton hipotezinden yola çıkarak buna bir açıklama getirmiştir. Buna göre gelen ışık dalga değil, foton adında ve her biri E = h \nu (h=Planck sabiti, \nu=ışığın frekansı) enerjisine sahip parçacıklardan oluşuyordu. Bu modele göre ışığın şiddetini artırmak birim zamanda yayılan foton sayısını artırıyor, ancak frekans sabit tutulması sonucunda her fotonun enerjisi de sabit kalıyordu. Foton madde yüzeyindeki bir elektrona çarptığında h\nu enerjisinin bir kısmı elektronu madde yüzeyinden sökmek için harcanmakta (bu enerjiye maddenin iş fonksiyonu (\phi) denir ve bir yüzeyden elektron koparmak için verilmesi gereken minimum enerji değeridir.) geri kalanı ise elektronun kinetik enerjisi olarak aktarılmaktadır.

Bu etkinin tam tersi de, benzer şekilde gözlemlenebilirdi. Bir elektron bir yüzeye çarptığı zaman o yüzeyden bir elektromanyetik dalga yayılır. Eğer Enerjinin Korunumu yasasını bu durum için incelersek, şu ilişki ortaya çıkar:

Çarpışmadan önceki toplam enerji = Çarpışmadan sonraki toplam enerji

bu ilişkiyi şu şekilde gösterebiliriz;

E_{k} = h \nu - \phi \, ....... (1)

Burada E_{k}, elektronun kinetik enerjisi, h \nu yayılan dalganın enerjisi, ve iş, maddeye özgü bir sabit olan, elektronu maddeden dışarı atmak için gereken enerjidir. Bu sabit çoğu zaman çok küçük olduğu için E_{k} = h \nu diyebiliriz. Buradaki h \nu'de, h Planck sabiti, \nu ise dalga'nın frekansıdır. Bu formul sayesinde bir elektron bir maddeye çarptığında ortaya çıkan dalganın frekansını ya da bir dalga bir maddeye çarptığı zaman saçtığı elektron'un kinetik enerji'sini bulabiliriz. (1) ifadesinden görüldüğü gibi ışığın kinetik enerjisi yalnızca ışığın frekansıyla lineer bir bağlılık gösterir. Metalin eşik frekansı da φ iş fonksiyonu tanımından

\nu_{0} = \phi / h \,

şeklinde ifade edilir. Eşik frekansı veya iş fonksiyonu cinsinden hν<φ ise elektron koparılamayacaktır. Böylece eşik frekansı doğrulanmıştır. Elektron kopartılması ancak hν>φ durumunda mümkündür. Böyle bir durumda hν-φ > 0 olacağından, buradan açığa çıkan katkı kopan elektronun kinetik enerjisi olacaktır. Einstein tarafından verilen bu kuramsal olay, Millikan tarafından yapılan deneylerle doğrulanmıştır.

Bazı Elementlerin \phi eşik enerjileri[değiştir | kaynağı değiştir]

Metal Simgesi φ(eV)
Sezyum Cs 2.1
Potasyum K 2.2
Sodyum Na 2.3
Lityum Li 2.5
Kalsiyum Ca 3.2
Çinko Zn 4.2
Bakır Cu 4.8
Gümüş Ag 4.73
Platin Pt 6.4
Alüminyum Al 4.08
Demir Fe 4.5
Uranyum U 3.6