fotoelektrik olay

fotoelektrik olay ışığın metalden elektron koparması sonucu diye tanımlanabilir. kopmuş elektronlara fotoelektron denir.

yaygın bir kanının aksine einstein, görelilik üzerine değil; fotoelektrik üzerine nobel almıştır...
19. yy da mor ötesi ışığın metallerde elektron hareketi oluşturduğu ,bir akım oluşturduğu biliniyordu...
dikkat!!! kırmızı ışık değil, sarı ışık değil, mavi ve mor ötesi ışıkla aydınlatıldıklarında elektrik akımı oluşuyordu.
elektrik yüklerinin hareket etmesi için, ışığın belli bir frekansı aşması gerekiyordu...elektronları yerinden oynatabilecek yegane güç 'mor' du...

işte eisntein diyor ki; ışık minik enerji paketlerinden oluşuyor...metal dalgalar halindeki ışık tarafından değil; tek tek fotonlar tarafından bombalandığını söylüyor... fotonlar metale mermi gibi çarpıyor ve onları ittirerek fotoelektrik olayı yaratıyordu..
her foton kendi frekansıyla orantılı enerji taşır...kırmızının frekansı küçük ,dolayısıyla enerjisi küçük olduğundan elektronu ittirecek gücü yoktur...
yüksek frekanslı mor ötesi ise elektronu ittirecek güce sahiptir...
maxvell denklerinde ışık dalga olarak ele alınmıştı
oysa şimdi einstein teorisine göre ; ışık hem dalga,hem parçacıktır..

metal yüzey üzerine gönderilen yüksek frekanslı ışık nedeniyle metal yüzeyden elektron koparılması olayı.

heinrich hertz elektromanyetik dalgalarla deney yaparken bir özellik gördü; bir deneyde kullandığı metal topuza morötesi ışık gönderdiğinde, hava boşluğunda oluşan kıvılcımların daha kolay oluştuğunu gördü. ancak o sırada başka şeyler araştırdığı için bu konuyla pek de ilgilenmedi. daha sonra ilgilenenler çıktı ve albert einstein'ın nobel fizik ödülü'nü alması bu sayede gerçekleşti.

fotoelektrik olayı ve metalden kopan fotoelektronları basit bir deneyle gözlemleyebiliyoruz.


(görsel, byjus. com'dan alıntıdır.)

ihtiyacımız olan şey havası boşaltılmış bir tüp, değişken bir gerilim kaynağına bağlanmış 2 elektrot, metal bir yüzey ve ışık. metal yüzeye düşürülen yüksek frekanslı ışık, bu yüzeydeki atomların elektronlarını onlardan koparacak enerjiye sahip. kopan fotoelektronların ait olduğu metal yüzey, anot görevi görüyor. bu fotoelektronlar, katoda ulaşacak enerjiye sahip olduğundan devrede belirli bir akım çıkar ortaya. ampermetre sayesinde bu akımı okuyabiliriz.

tabii ki bu olay sonsuza dek sürmez. belirli bir kinetik enerjiye sahip olan fotoelektronların koparılmasından sonra akım durur. yani fotonların enerjisinin, elektronlara ait atomların bağlanma enerjisinden büyük olduğu noktaya kadar sürer. elektronların sökülebilmesi, ışık şiddetine değil, ışığın frekansına (yani dolayısıyla enerjisine) bağlıdır.

böyle bilimsel anlatınca havalı duran olay.

öncelikle basit tanım ile başlamak gerekirse fotoelektrik olay ışığın (genellikle metal yoksa her atomda olabilir) metal bir yüzeyden elektron kopartması olayı.
ışık çarpıyor (bkz: güneş panelleri) elektron kopuyor ve elektrik oluşuyor. bu sadece düz mantık anlatımı.
einsten'ı herkes bilir. ve nobel ödülü sahibi olduğunu da. fakat herkes ''özel görelilik'' teoremiyle nobel sahibi olduğunu sanar. halbuki ''fotoelektrik etki'' ile nobel almıştır.

gelin biraz derinine inelim fotoelektrik olayının. her ışık (bundan sonra foton diye anılacak) bir frekansa dolasıyla enerjiye sahiptir. fotonlar bu enerjilerini bize renk olarak gösterirler.(biz öyle algılarız) aslında kızılötesi/mor ötesi vb tabirler buradan gelir. belli frekansın ötesi.
insan gözünün görebildiği renk skalasında kırmızı en düşük, mor en yüksek frekansa sahip renklerdir. ve bu fotonlar düştükleri yüzeylerdeki (basitçe anlatım) elektronlara çarparlar. bu elektron freni boşalmış fakat hızını hiç azaltmamış kamyon gibi atomun en dış ( örnek için geçerli. yoksa en dışı pas geçip iç katmandaki bir elektrona da denk gelebilir.) katmanındaki elektrona çarpar. momentum gereği bir saçılma (compton) oluşur. eğer fotonun enerjisi , elektronu çeken atom çekirdeğinin yani bağlanma enerjisinden büyük ise elektron bulunduğu katmandan fırlar. burada mühim olan şunun bilinmesidir. bir fotonun enerjisi ( frekansı ) ne kadar yüksek olursa olsun sadece bir elektron koparabilir. yani 1-1. peki nasıl daha fazla elektron koparabiliriz bu yüzeyden? şöyle ki efendim ; foton enerjisini arttırarak. ee hani bir elektron sadece bir foton ile kopuyordu? hemen izah edelim. aslında başta anlattıklarımız doğru fakat bu sistemler karşılıklı iki metal levha olduğu için fotonların düştüğü levhadan kopan elektronların karşı levhaya ulaşması gerekmekte. newton fiziğine göre hareket ancak enerjiyle mümkün. peki elektron bu enerjiyi nereden alacak. fotondan. foton çarpınca karşıya gitmeye mecali olmayan fotonlarımıza daha fazla enerji lazım. bu enerjiyi kırmızı ışık yerine daha yüksek enerjili mor ışığı tercih ederek sağlayabiliriz.
burada bir yanlış anlaşılmayı düzeltmek istiyorum. yukarıdaki yazarlarımızdan birisi zahmet edip konuyu açıklamışlar. ellerine sağlık. fakat fotoelektrik olay sadece ''mor'' ışık için geçerli bir olay değildir. gelin formüllere bakalım
e(foton)=e(bağlanma)+e(elektron)(ev'elektrovolt) ''e=enerji''
formülde görüldüğü üzere fotonun enerjisi eşitmiş neye? elektronun kopma enerjisi +koptuktan sonra kazandığı enerjiye. burada sabit bir metal için yani sabit bir atom için e(bağlanma) değişmezdir. atıyorum x atomu için bu enerji 6 iken y atomu için bu enerji 4 olabilir. yani sayın yazarımızın dediği kırmızı renk fotonunun sökemediği elektronu mor söker değil. kırmızı renk fotonu başka ve daha düşük bağlanma enerjili bir atomun elektronunu sökebilir. yani kısaca her metalin elektronunu sökmek için belirli bir eşik değer var. her dalga boyunun (frekansın tersi)(1/frekans) bir enerjisi var. gücü yeterse söküyor yetmezse sökemiyor.

gelelim fotonun enerjisi (frekansı) artarsa ne oluyor? gene bir elektron söküyor. fakat artan enerjiyi elektrona kazandırıyor. yani hız kazandırıyor. karşılıklı duran levhalardan birinden kopan elektron diğer levhaya ulaşacak enerjiyi buluyor ve hoooop diğer levhaya çarpıyor. ne mi oluyor? elektrik akımı oluşmuş oluyor. güneş panellerindeki olay ise tamamen bundan ibaret.(tabi basitçe)

son olarak bu olayda fotonun dalga olarak değil tanecik olarak görüyoruz. eğer dalga özelliğinden faydalanarak bu etkiyi gerçekleştirseydi ; bir fotonun onlarca belkide yüzlere elektron kopartması gerekecekti. bunu şöyle düşünebiliriz. bir pompalı tüfekten çıkan saçmaların karşısındaki birçok hedefe isabet etmesi yerine. aynı silahın tek bir domdom kurşunu atması gibi. bir kurşun=bir hedef.

toparlayacak olursak: foton gelir elektrona çarpar , gücü yetiyorsa kopartır kopan elektron uçaaaar gider :)
kullanıldığı alanlar: sensörlü her şey! otomatik kapı ,fotoselli lambalar, güneş panelleri vb
minik bir örnek

bu yazı kendini güncelleyecektir.
edit1:

albert einstein'a 1921 yılında nobel fizik ödülü kazandıran fizik konusu.
ışık bir maddeyi aydınlattığında ortaya elektronların çıkması olarak tanımlanır.

klasik elektromanyetizma bunu "enerji transferi" olarak adlandırmıştır.


buradan