Fotoelektrik olay basit bir şekilde bir f frekansına sahip fotonun hf enerjisi ile metal bir yüzeye çarpıp (eğer ki hf yeterli bir enerji ise) fotonun çarptığı metal yüzeyden elektron koparılması veya elde edilmesi olayıdır. Yeterli enerji ile kastedilen, metal yüzeyine gelen fotonun bu yüzeyden elektron koparabilmesi için gerekli enerji miktarıdır. Öte yandan isminden de anlaşılacağı üzere ışıktan elektrik enerjisi üretimi söz konusudur bu olayda.
Fotoduyar bir yüzeye sahip olan bir metale fotonların çarpıp elektron sökmesi olayını gösteren bir çizim...
Fotoelektrik etki olarak da bilinen bu olayın nasıl olduğunu açıklayalım. Bir metal yüzeyi düşünelim ve bu metal yüzey atomlardan oluşsun. Gelen ışın veya foton demeti, bu atomlardaki serbest elektronları değil daha kararlı elektronları hedef alır ve yeterli enerji ile kararlı elektronlaru atomun yörüngesinden çıkartır ve bir yüzeyde katod – anot çubuklarımızın olduğunu varsayarsak katoddan anota doğru Ke enerjisi ile bir elektron hareket eder. Anot çubuğumuza elektron ulaştığında katod ve anot çubuklarına bağlı devrede elektrik akımı oluşur.
Sonuçları:
- Frekansın daha küçük olduğu enerjilerde elektronun yayımlanmamasının nedeni bir minumum değerde f0 ya da f0 eşik değerinin olmasıdır. Elektronların yayınlanmaları gelen ışınımın şiddetine veya yüzey üzerine nasıl düştüğüne bağlı değildir.
- Elektronların sıfırdan V max!a kadar hızlarla yayımlandığı ve 1/2mVmax2 ile verilen kinetik enerjilerinin ışınımın frekansına lineer olarak bağlı olduğu ve şiddetinden bağımsızdır.
- Verilen frekansla gelen ışınım için birim zamanda yayımlanan elektronların sayısı ışınımın şiddeti ile orantılıdır.
- Elektron yayımlanması yüzey üzerine ışığın düşmesiyle oluşur, zaman gecikmesi olmaz.
Kuantum fiziği öncesi klasik fiziğe göre yayınlanan elektronların maksimum kinetik enerjisinin gelen ışınımın enerji yoğunluğu (şiddeti) ile arttığını ve frekansa bağlı olmadığını söylemek mümkündür. Gerçekte ise gözlemle bu uyuşmamıştır. Klasik fiziğin diğer bir önemli görüşü gelen enerjinin aydınlatılan yüzey üzerinde düzgün dağıldığıdır. Atomdan elektronu koparmak için zaman gecikmesi gerekli idi. Deneylerde gecikme zamanı saatler, günler alacak şekilde düzenlenirdi klasik fizikte oysa 10-9 saniyelik bir dilimde gerçekleşiyor bu olay.
Fotoelektrik olay için tarihsel basamaklar:
- 1839 yılında Alexandre-Edmond Becquerel fotoelektrik etkiyi gözledi.
- 1873 yılında Willoughby Smith selenyumda fotoiletkenliği buldu.
- 1887 yılında Heinrich Hertz fotoelektrik etkide elektromanyetik dalga üretimini ve alımını gözledi.
- 1899 yılında Joseph John Thomson, Crookes tüplerinde ultra viyole ışını inceledi.
- 1901 yılında Nikola Tesla fotoelektrik olayını tanımladı.
- 1902 yılında Philipp Eduard Anton von Lenard, ışık frekansı ile elektron enerjisi içindeki varvasyonu gözlemledi.
- 1905 yılında Albert Einstein, Max Planck’ın kuanta fikrini kullanarak fotoelektrik olayını tanımladı.
Fotoelektrik olayın kullanım alanları
Fotodiyotlar ve fototransistörler
Güneş pilleri veya güneş hücreleri ve ışığa duyarlı diyotlar (fotodiyotlar) fotoelektrik olayın değişik biçimde kullanılmasıdır ama materyalin dışına elektronlar çıkmıyor bu tür kullanımlarda. Şöyle ki yarıiletken fiziğinde, göreli olarak enerjisi daha az olan ışık, görünür fotonlar gibi, valans bandında dışarı elektronları çıkarabilir ve yüksek enerji taşıma bandının içine girebilir, onlar geçiş band aralığındaki voltajda elektrik akımı oluştururlar.
Görüntü sensörleri
İlk zamanlardaki televizyonların içinde video kamera tüplerinde fotoelektrik olay kullanılır, modern biçimleri ise fotoemisif materyallerden fotoiletken materyallere kadar değişir. Ayrıca görüntü sensörleri dijital fotoğraf makinelerinde de kullanılırlar.
Fotoelektrik olay elektroskoplarda, fotoelektron spektroskopisinde, uzay araçlarında ve gece görüş aygıtlarında karşımıza çıkmaktadır…
Hazırlayan: Gökhan Atmaca | http://www.twitter.com/kuarkatmaca
Kuark Bilim Topluluğu
Kaynaklar:
- http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect
- http://tr.wikipedia.org/wiki/Fotoelektrik_etki
- http://www.onlinefizik.com/content/view/189/28/
- Fizik 3, Serway-Beichner, Çeviri Editörü: Prof.Dr.Kemal ÇOLAKOĞLU, Palme Yayıncılık
