Fotoelektrik Olay
advertisement
2005 Dünya Fizik Yılı Etkinlikleri Çerçevesinde EINSTEIN’I ANMA GÜNÜ PROGRAMI FOTOELEKTRİK OLAY Doç. Dr. İhsan YILMAZ Arş. Gör. Betül ATALAY Arş. Gör. Sezgin AYGÜN Arş. Gör. Melis AYGÜN Arş. Gör. Can AKTAŞ 2005 Dünya Fizik Yılı Etkinlikleri Çerçevesinde EINSTEIN’I ANMA GÜNÜ PROGRAMI FİZİK BÖLÜMÜ 18 Nisan 2005 IŞIĞIN KISA TARİHÇESİ Işıma kuramı, parlak cisimlerin gönderdiği ışın veya parçacıkların cisimler üzerinden sekerek göze gelmesine ve algılamasına dayanır. Işıma kuramından sonra gelen iki kuram Sir İsaac Newton’un parçacık ve Christian Huygens’ın dalga kuramlarıdır. Bunlar, birbirlerine tam ters olan kuramlardır. Newton’a göre ışık, parçacık olarak düz bir doğru üzerinde yol alır. Diğer bir değişle, ışık bir parçacıklar sistemidir ve kaynağından her yöne düz doğrular boyunca yol alırlar. 2005 Dünya Fizik Yılı Etkinlikleri Çerçevesinde EINSTEIN’I ANMA GÜNÜ PROGRAMI FİZİK BÖLÜMÜ 18 Nisan 2005 Huygens’in dalga kuramı ise Newton’un kuramını kabul etmiyor. Ona göre, eğer ışık parçacıklardan oluşsaydı birbirleriyle karşılaşan ışık demetleri kendilerini yok etmeliydi. Huygens, bunu açıklamak için karşılaşan iki su akıntısını önerdi. Gerçektende ışık bu tür bir özellik göstermez ve ışık demetleri karşılaştıklarında, su örneğinde olduğu gibi bir olay ortaya çıkar. Huygens ışığın bir dalga olduğunu öne sürdü. Ona göre ışık ve onunla ilgili olaylar tümüyle dalga kuramına oturtulmalıydı. Buna karşılık Newton da eğer ışık bir dalgaysa hareketi boyunca rastladığı köşeleri de dönmesi gerektiğini ancak bunun olmadığını ileri sürerek dalga kuramını reddetti 2005 Dünya Fizik Yılı Etkinlikleri Çerçevesinde EINSTEIN’I ANMA GÜNÜ PROGRAMI FİZİK BÖLÜMÜ 18 Nisan 2005 Bugünün bilimi ise ışığın gerçekten köşeleri döndüğünü gösterebilir. Ancak dalga boyunun çok küçük olmasından dolayı bu olayın gözle görünmesi olası değil. Dalga kuramı, 1800’lü yıllarda kabul gördü. Parçacık kuramı ise 1800’lü yılların sonunda tamamen terk edildi. 19. yüzyılın sonlarında James Clerk Maxwell, elektrik, manyetizma ve ışığı bir kuramda birleştirdi. Bu kurama elektromanyetik teori dendi. Maxwell’e göre ışık bir elektromanyetik dalgadır ve diğer elektromanyetik dalgaların özelliklerini gösterir. Maxwell, elektrik ve manyetik sabitlerden faydalanarak ışık hızını hesapladı. Gerçi bulduğu hız kabul edilebilir değer içinde, ancak Maxwell’in teorisi fotoelektrik etkisini açıklayamıyor . 2005 Dünya Fizik Yılı Etkinlikleri Çerçevesinde EINSTEIN’I ANMA GÜNÜ PROGRAMI FİZİK BÖLÜMÜ 18 Nisan 2005 1887’de Heinrich Hertz, metal üzerine gönderilen belli özellikli ışığın elektronları metal üzerinden kopardığını buldu. 1900’de Max Planck, ışıkla ilgili başka bir kuram geliştirdi. Buna göre ışık, içinde enerji olan küçük bir paket içinde iletilir ve madde tarafından emilir. Bu küçük pakete quanta adı verilir. Quanta içindeki enerji, ışığın frekansıyla doğru orantılıdır. Albert Einstein, Planck’ın kuramını tamamen kabul ederek ışığın quanta olarak iletilmesinin ve madde tarafından emilmesinin yanında, ışığın quanta olarak yol aldığını ileri sürdü. Einstein quanta birimi olarak fotonu kabul etti. 2005 Dünya Fizik Yılı Etkinlikleri Çerçevesinde EINSTEIN’I ANMA GÜNÜ PROGRAMI FİZİK BÖLÜMÜ 18 Nisan 2005 Fotoelektrik Olay Fotoelektrik olay kısaca, ışığın metallerden elektron koparmasıdır. Işık metallerden niçin elektron koparır? Bilindiği gibi metallerdeki bağlanma enerjisi ( Eb ) pozitif iyonlar ile elektronlar arasındaki Coulomb etkileşmesinin bir çeşidi olan çekici elektriksel etkileşmedir. Genelde metaller 1 - 5 eV arasında bağlanma enerjilerine sahiptirler. Fotonlarda bu aralıkta ki enerjilere sahip olduklarından ışık metallerdeki serbest elektronlar ile kolayca etkileşir. Bu nedenle görünür ışık metal yüzeye çok yakın bir bölgede yutulur ve tekrar yayınlanır. Zaten metal yüzeylerin parlak görünmesinin sebebi de budur. 2005 Dünya Fizik Yılı Etkinlikleri Çerçevesinde EINSTEIN’I ANMA GÜNÜ PROGRAMI FİZİK BÖLÜMÜ 18 Nisan 2005 Daha önce bahsettiğimiz gibi metallerin bağlanma enerjileri 1 - 5 eV arasında değişiyordu. Buna göre her metalin bağlanma enerjisi ( Eb ) farklı olacaktır. Einstein ışık enerjisinin dalga cephesine eşit olarak dağılmadığını kuanta veya fotonlar denilen demetler halinde yoğunlaştığını ileri sürdü. Buna göre bir fotonun enerjisi Ef = h ν ’dür. Burada h = 6,626x 10-34 j.s değerinde Planck sabiti, ν ise ışığın frekansıdır. Eğer metal yüzeyine gelen fotonun enerjisi Ef = h ν ≥ Eb ise metalden elektron kopacak; Ef = h ν ≤ Eb ise metalden elektron kopmayacaktır. Kopan elektronların kinetik enerjisi (deney sonucu ölçülen gerilimi oluşturan elektronların enerjisi) Ek = eVk = h ν - Eb olacaktır. FİZİK BÖLÜMÜ 18 Nisan 2005 FİZİK BÖLÜMÜ 18 Nisan 2005 2005 Dünya Fizik Yılı Etkinlikleri Çerçevesinde FİZİK BÖLÜMÜ 18 Nisan 2005 EINSTEIN’I ANMA GÜNÜ PROGRAMI Sonuç 1) Görüldüğü gibi fotoelektrik olay gelen foton enerjisinin bağlanma enerjisinden büyük veya eşit olması durumunda gerçekleşir. Yani, ışığın şiddeti ne olursa olsun eğer gelen fotonun enerjisi bağlanma enerjisinden büyük değil ise metalden elektron kopmayacaktır. Diğer bir deyiş ile elektronlar düşük ışık şiddetinde bile metalden koparılabilecek. Kısacası fotoelektrik olay ışığın şiddetine bağlı değildir. Örneğin ışık şiddetini iki katına çıkaracak olursak metalden kopacak elektronların sayısı da iki katına çıkacak fakat metalden kopan elektronların kinetik enerjileri aynı kalacaktır. 2005 Dünya Fizik Yılı Etkinlikleri Çerçevesinde EINSTEIN’I ANMA GÜNÜ PROGRAMI FİZİK BÖLÜMÜ 18 Nisan 2005 Klasik dalga teorisine göre fotoelektrik olayı açıklayacak olursak; daha önceden bilindiği gibi ışık elektromanyetik bir dalgadır. Metal yüzeyine düşen ışık metalden elektron koparır. Çünkü metallerde ki serbest elektronlar elektromanyetik dalganın elektrik alanı ile bir ivme kazanırlar ve metalden ayrılırlar. Eğer ışığın şiddeti arttırılacak olursa kopan elektronların ivmesi artacaktır ve dolayısıyla kinetik enerjileri artmış olacaktır. Bu gözlemler ile çelişmektedir. Çünkü, deney sonucuna bakıldığında kopan elektronların kinetik enerjilerindeki artış klasik dalga teorisinin tersine, gelen ışığın şiddetinden değil frekansındaki artıştan dolayıdır. 2005 Dünya Fizik Yılı Etkinlikleri Çerçevesinde FİZİK BÖLÜMÜ 18 Nisan 2005 EINSTEIN’I ANMA GÜNÜ PROGRAMI 2) Elektronların hemen hemen anında ( yüzeye ışık düştükten 10-9 saniyeden daha kısa bir süre sonra ) yayımlanmasının sebebi, fotonlar ile elektronlar arasında birebir etkileşme olmasından dolayıdır. Buda ışığın tanecik kuramı ile uyuşmaktadır. Klasik dalga teorisine göre metal üzerine düşen ışığın soğurulması için belli bir zaman geçmesi gerekir. Çünkü metal üzerine düşen fotonların enerjilerini metallerdeki elektrona aktarabilmeleri için belli bir süre geçecektir. (örneğin, bağlanma enerjisi 2 eV ’tan büyük olan bir metalden elektron koparmak için yaklaşık iki aylık bir süre geçmesi gerekmektedir.) 2005 Dünya Fizik Yılı Etkinlikleri Çerçevesinde FİZİK BÖLÜMÜ 18 Nisan 2005 EINSTEIN’I ANMA GÜNÜ PROGRAMI Bütün bunlardan ışığın dalga ve parçacık olmak üzere ikili bir doğası olduğu ancak bazen parçacık bazen de dalga özelliği gösterdiği sonucu çıkmaktadır.
