Fotoelektrik Etki (Fotoelektrik Olay) Nedir?

Işığın doğası yüzyıllar boyunca hep tartışmalara konu olmuştur. Kimi bilim insanları ışığın dalga yapısında olduğunu savunurken kimi bilim insanları ışığın parçacık yapısında olduğunu savunmuştur. İki taraf da düşüncelerini deneyler ile desteklemiştir. Bazı deneylerin sonucu ışığın dalga doğası ile açıklanabilir iken bazı deneylerin sonucu ışığın parçacık doğası ile açıklanabilir. Bu çelişkili sonuçlar dolayısıyla ışığın yapısı kuantum mekaniği gelişene kadar tam anlaşılamamıştır. Aslında iki taraf da haklıdır, ışık hem parçacık hem de dalga yapısına sahiptir. Buna ışığın dalga - parçacık ikiliği denir. Bizim yazımızın konusu olan fotoelektrik olay, ışığın parçacık karakteri ile gerçekleşir.

Fotoelektrik Olay

Fotoelektrik olay ışığın metalden elektron koparması olarak tanımlanabilir. Kopan elektronlara fotoelektron denir. Fotoelektrik olay ilk olarak 1887 yılında, Alman fizikçi Heinrich Hertz tarafından keşfedilmiştir. Hertz elektrik ile yaptığı deneylerde ışığın etkisini fark etmiştir. Elektrotların üzerine ışık düştüğü zaman aralarındaki akımın güçlendiğini keşfetmiştir. 1900 ise Philipp Lenard gazların üzerine morötesi ışık düşürdüğü zaman gazların iyonize olduğunu ve pozitif yüklü iyonların fazla olduğunu görmüştür. Bu olayları klasik elektromanyetizma çerçevesinde açıklamak mümkün değildi. Klasik fizik elektromanyetik radyasyonu dalga olarak kabul ediyordu ama bu olayı dalga perspektifinden açıklamak mümkün değildi.

ScienceABC

Albert Einstein

Albert Einstein 20. yüzyılın en büyük fizikçilerinden birisiydi. Özel görelilik, genel görelilik, E=mc² , Brown hareketi gibi teorileriyle ünlüydü. Pek çok kişinin bilmediği şey ise Einstein'ın 1921 Nobel fizik ödülünü genel görelilikten dolayı değil de fotoelektrik olayı açıklamasından dolayı aldığıdır.

Fotoelektrik olay fizik tarihindeki en önemli olaylardan birisidir. Max Planck'ın kara cisim ışımasını incelemesi sonucu enerjinin kuantize olduğunu anlamıştık. Elektromanyetik radyasyonunda benzeri şekilde kuantize olup her biri $E=n\ast h\ast f$ ($E$ enerji, $n$ bir tam sayı, $h$ Planck sabiti ve $f$ frekans) enerjilerine sahip parçacıklardan oluştuğunu varsayarak fotoelektrik olayı açıklayabiliriz. Bu varsayımı yapan ilk kişi Albert Einstein'dı. Bu parçacıklara foton adı verildi. Bu varsayıma göre fotonun enerjisi frekans ile doğru orantılı ve dalga boyu ile ters orantılıdır.

ZME Science

Deneyler

Kurulan deney düzeneklerinden üç önemli sonuç çıktı:

1. Belirli bir eşik frekansına gelene kadar ne kadar şiddetli ışık tutulursa tutulsun hiç bir elektron kopmaz.
2. Eğer frekans eşik değerinin üzerindeyse ışığın şiddeti ne kadar az olursa olsun elektron kopar.
3. Fotoelektronun kinetik enerjisi ışığın frekansı ile doğru orantılıdır ve ışığın şiddetinden bağımsızdır.

Khan Academy

Bu örneği yukarıdaki sonuçlar açısından inceleyelim

1. Kırmızı ışığın frekansı eşik frekansından düşük olduğu için hiç bir elektron kopmamıştır. (1. sonuç)
2. Mavi ışığın frekansı yeşil ışıktan daha fazladır, yani daha fazla enerjiye sahiptir. Bundan dolayı mavi ışığın kopardığı fotoelektronların hızı (kinetik enerjisi) yeşil ışığın kopardığı fotoelektronlardan daha fazladır. (3. sonuç)
3. Bu örnekteki deney düzeneğindeki ışık şiddetleri eşit olduğu 2. sonuç hakkında bir yorum yapılamaz.

3. sonuç aslında enerjinin korunumu yasasından gelmektedir. Fotonun enerjisi ilk olarak elektronu atomdan kopartır ve arta kalan enerji fotoelektrona kinetik enerji olarak kalır. Bu ifadeleri matematiksel olarak ifade etmek istersek:

$hf=E_k+\varphi$

Bunu şu şekilde de yazabiliriz:

$E_k=hf-\varphi$

Buradaki $\varphi$ iş fonksiyonudur ve elektronu kopartmak için gerekli olan enerjiye karşılık gelir. İş fonksiyonu, üzerine ışık düşürülen metalin karakteristik bir özelliğidir; dolayısıyla her metal için farklı ve özel bir değerdir. Şöyle ifade edilir:

$\varphi =h{f}_0$

Buradaki $f_0$ eşik frekansıdır. Aşılması gereken frekans eşiğine karşılık gelir. Bu durumda:

$E_k=h(f-f_0)$

Bu elde ettiğimiz denklemleri deneyden elde ettiğimiz verilerle karşılaştırırsak her şeyin mantıklı olduğunu göreceğiz. Eşik frekansından düşük hiçbir ışının elektron koparmamasını iş fonksiyonu ile açıklayabiliriz. Eşik frekansı aslında iş fonksiyonuna denk gelen enerjidir. Eğer $f<f_0$ ise $hf<h{f}_0$ olacağı için yapılan iş yeterli olmaz ve elektron kopamaz.

Kesme Potansiyeli

JavaLab

Bu düzenekteki iki elektrot arasında negatif potansiyel oluşturursak sodyumdan kopan elektronların karşıdaki plakaya ulaşan elektron sayısı azalacaktır. Öyle bir potansiyel değeri vardır ki karşıya ulaşan elektron sayısı sıfıra iner; yani fotoelektronlarla üretilen elektrik akımı durur. Bu potansiyele durdurma potansiyeli veya kesme potansiyeli denir. Bu potansiyeli bulmak için basit bir denklem kullanabiliriz:

$e{V}_0=E_k$

Bu denklemde $e$ elektronun yükünü, $E_k$ fotoelektronların kinetik enerjisini ve $V_0$ da kesme potansiyelini temsil etmektedir. Potansiyelin yaptığı iş fotoelektronların kinetik enerjisine eşit olduğu zaman akım durur.

Fotoelektron Spektroskopi

Fotoelektrik olayın kimyadaki önemli bir uygulaması ise fotoelektron spektroskopidir. Bu tekniğin iki ana türü vardır: Mor Ötesi Fotoelektron Spektroskopi (UPS) ve X Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS). Bu teknikleri kullanarak analiz ettiğimiz maddedeki atomların yüzde dağılımları, analiz ettiğimiz maddedeki bağlanma enerjileri, ince yüzey filmlerinin kalınlığı ve daha birçok özelliği ölçebiliriz.

Wikipedia

Research Gate

Fotoelektronların kinetik enerjisini fotonların enerjisinden çıkardığımız zaman iş fonksiyonunu bulabileceğimizi ve iş fonksiyonunu her element için özel olduğunu biliyoruz. Bu şekilde iş fonksiyonlarını ölçerek maddelerdeki atomların türlerini, yüzdelerini ve atomların bağlanma enerjilerini ölçebiliyoruz.