Fotoelektrik Etki Nedir?
Modern fiziğin en önemli konularından biri olan Fotoelektrik Etki ışığın tanecik modeliyle açıklanır. Ancak fotoelektrik etki nedir demeden önce foton kavramına yolculuk yapalım. Foton, elektromanyetik bir dalgadır. Manyetik alan ve elektrik alanı birbirine diktir. Ve fotonun enerjisi hakkında da (E =h.v) olduğunu bilmekteyiz.
Pekala bu bilgiler ışığında fotoelektrik etki nedir ?
Işının bir metale çarparak ondan elektron koparması olayına fotoelektrik etki ediyoruz. Kopan elektronlara ise fotoelektron adı veriliyor. Şimdi bu olayı biraz hayal edelim. Metal bir yüzeyimiz olsun. Hatta örnek olarak sodyum metalini kullanalım. Ve üzerine foton gönderelim. Burada gercekleşen olay göndermiş olduğumuz fotonun metalden elektron koparmasıdır. İşte burada gerçekleşen olay Fotoelektrik Etki olarak adlandırılır. Fotoelektrik Etkiyi gözlemlemek için hazırlanan düzeneğe ise fotosel devre adı verilir.
Fotoselde elektronun söküldüğü metale katot metali denir. Katot metalinden elektron sökmek istiyorsak şunu çok iyi bilmeliyiz. Burada Elektron sökmek için gerekli minumum frekansa ihtiyaç vardır. İşte bu gerekli frekans eşik frekansıdır. Enerjiden de bahsetmeliyiz. Elektron sökmek için gerekli minumum enerjiye ise eşik enerjisi (Bağlanma Enerjisi) ya da iş fonksiyonu adı veriliyor. Dolayısıyla katot metalinden elektron sökmek için gerekli olan şartlarımız bulunuyor. Eğer katot metaline düşen fotonun enerjisi yeterli ise elektron koparabilir. Şayet fotonun enerjisi maddenin eşik enerjisinden fazlaysa artan enerjimiz koparılan elektron üzerinde kinetik enerji olarak kalır.
O zaman gelen fotonun enerjisi, maddenin eşik enerjisi ve kopan elektronun kinetik enerjisinin toplamıdır diyebiliriz. Bu denklemi Albert Einstein bulduğu için Einstein ‘ın Fotoelektrik denklemi deniyor. Ayrıca 1921 yılında Einstein’ın “Fotoelektrik Etki Yasasının keşfi” için Nobel ödülünü de kazandığını söylemeliyiz. Fotoelektrik Etki olayında dikkat etmemiz gereken önemli hususlardan biri, eşik enerjisinin maddenin yalnız cinsine bağlı olmasıdır. Yani bu durumda metal değişirse eşik frekansı ve eşik enerjinin de değiştiğini söyleyebiliriz. Eşik enerjinin, Planck sabiti ve eşik frekansın çarpımı olduğunu da bilmekteyiz. O halde şimdi Fotoelektrik Etki ile ilgili çıkarım yapabiliriz.
Birim zamanda sökülen fotoelektronların sayısı, katot üzerine düşürülen ışığın şiddetiyle doğru orantılıdır. Bir diğer çıkarım fotoelektronların kinetik enerjisi ışığın şiddetine değil frekansına bağlı olmasıdır. Dikkat etmemiz gereken bir başka çıkarım ise fotonun enerjisi ne kadar büyük olursa olsun bir foton ancak bir elektron sökebilir. Fotoelektrik Etki konusu içinde fotosel lambalardan da bahsetmeliyiz. Fotosel lamba fotoelektrik etkiden yararlanılarak yapılan bir elektrik devresidir. Burada bilmemiz gereken kotot yüzeyine ulaşan ışığın yüzeyden elektron koparmasıdır. Koparılan elektronlar kinetik enerji kazanıp anot yüzeyine çarparak devrede elektron akımını oluşturur. Nitekim fotosel lamba için fotoelektrik etkiden faydalanılarak yapılmış elektrik devresi olduğu söylemiştik. Devreden elektrik akımı geçer ancak bu akım fotoelektrik akım adını alır. Fotoelektrik akımı artırmak istiyorsak foton sayısını arttırmamız gereklidir. Bu sayede katot yüzey alanı büyür ve fotoelektrik akım artmış olur. Fotoelektrik akımı arttırmanın bir başka yoluda devreye bağlanılacak uygun bir üreteçtir.
Fotoelektrik akım ve potansiyel fark grafiğine baktığımızda doyma gerilimiyle ve kesme potansiyeli kavramlarıyla karşılaşırız. Kesme potansiyeli ters gerilim değerine ulaşıldığı zaman akımın kesilmesidir. Yani bu gerilime durdurma gerilimi ya da kesme potansiyeli adının verildiğini söyleyebiliriz. Kesme potansiyeli ışık şiddetine bağlı olmayıp dalga boyu ve eşik enerji ile ters orantılıdır. Aynı zamanda fotosele gelen ışığın enerji ve frekansı ile de doğru orantılıdır. Fotoelektrik etkiden bu kadar bahsetmişken kullanım alanlarından da bahsetmeden olmaz .Görüntü sensörleri foroğraf makinelerinde, televizyonlarda, görüntü alıcılarında, ışılçoğaltıcılarında kullanılır. Işığın tanecik modeliyle açıklayabildiğimiz bu olay modern fiziğin önemli konularından biri olarak karşımıza çıkıyor. Foton kavramından fotoelektrik etki konusuna olan yolculuğumuz modern fiziği anlamaya dair önemli bir adımdı.
Diğer adımlarda görüşmek üzere…
Yazan: Merve ŞİMŞEK
Kaynak**
Kaynak***
neden bu kadar uzun ki