Zaman Yolculuğunu Araştırma Merkezi © 2005 Cetin BAL - GSM:+90 05366063183 - Turkey / Denizli
Fotoelekrik Olay ve Einstein
Kuantum kuramıyla ilgili ikinci adımı 1905'te Einstein attı. Einstein, fotoelektrik olayı, kuantum düşüncesini kullanarak açıkladı. Fotoelektrik olay,kısaca, ışığın metal yüzeyinden elektron koparmasıdır. Bu olayı, Hertz keşfetmişti.
Fotoelektrik olayın pek çok özelliği klasik fizik ya da ışığın dalga modeli ile açıklanamaz. Örneğin klasik fiziğe göre ışık şiddetine bağlı olarak metal yüzeyinden her frekansta elektron sökülmesi gerekirken ancak belli bir eşik değerinin üzerinde elektron koparılabiliyordu. Işığın frekansı, bir eşik frekansını aşarsa fotoelektrik olay gözleniyordu. Öte yandan yayınlanan elektronların( fotoelektronlar )sayısı ışık şiddetiyle orantılıydı ;ama elektronların maksimum kinetik enerjisi, ışığın şiddetinden bağımsızdı. Klasik bakış açısına göre,elektriksel alan ışık şiddetinin kare köküyle doğru orantılıdır ve elektronların koparılmasından ve ivmelendirilmesinden sorumlu olmalıdır. Elektronların maksimum kinetik enerjisi,ışığın frekansı arttıkça artıyordu. Elektronlar,yüzeyden,düşük ışık şiddetlerinde bile,hemen hemen anında (yüzeye ışık düştükten milyarda bir saniye sonra ) yayınlanır. Oysa klasik kurama göre elektronların metalden çıkmak için gerekli kinetik enerjiyi kazanmadan önce,gelen ışınımı soğurmak için bir zamana gereksinim olduğu düşünülüyordu. Işığın foton kuramına göre ise gelen enerji, küçük paketler halinde görünür ve fotonlarla elektronlar arasında birebir etkileşme vardır. Bir foton,bir elektron koparır. Bu, ışığın geniş bir alana düzgün olarak dağılmış bir enerjiye sahip olduğu düşüncesiyle çelişir. Einstein, fotoelektrik konulu 1905 yılı yazısında Planck’ın önerisini ele almıştır. Planck, ışık kaynaklarının kuantlaşmış enerji değişimi yaptıklarını varsaymıştı. Einstein bir adım ileri giderek, ışığın kendisinin kuantlaşmış olduğunu- ışığın foton denen parçacıklardan oluştuğunu- varsaydı. Einstein, bir ışığın ya da herhangi bir elektromanyetik dalganın foton denen paketlerden oluştuğunu düşündü. Einstein'in fotoelektrik olaya bakışı basitçe, bir fotonun tüm hf enerjisini metalin tek bir elektronuna verdiği şeklindedir. Buna göre kullanılan ışığa göre elektronun enerjisi hf,2 hf, 3 hf... şeklinde,yani Planck enerji paketinin tam sayı katları şeklinde artıyordu. Einstein' in 1905'teki yazısı, Planck'ın kuantumlanma kavramını elektromanyetik dalgalara genişletti;ışık kuantumlarını tek tek gözlemleyebileceğimizi gösterdi. Çünkü yayılan her parçacık ( her elektron) metal atomuna çarpan bir ışık kuantumuna karşılık geliyordu. Bu devrimci fikir, o zaman yerleşik olan ışığın dalga kuramına karşı bir çıkıştı bu da, birçok fizikçinin onu reddetmesi için yeterli nedendi. Diğer fizikçiler, Einstein’in önerisini, yalnızca foton için pek doğrudan bir kanıt sayılamayacak olan foto elektrik etkiyi açıkladığı için reddettiler. Fakat Einstein ışık konusunda dalga-parçacık ikili yapı kavramına sıkı sarıldı ve ışığın bu görünüşte çelişkili özelliklerini uzlaştırmaya çalıştı; ama başaramadı.
Planck ve Einstein’in düşünceleri, doğal olguların yepyeni bir alanını gösteren deneylerin açıklamasıydı. 19. yy’ ın sonuna kadar, maddenin çok sayıda şaşırtıcı yeni özelliği keşfedilmişti; bilim adamları, ilk kez olarak atomik süreçlerle doğrudan ilişki kuruyorlardı.
Foto elektrik deneyi için gerekli malzemeler:
| 1) Elektron (Negatif Yük). |
| 2) İki metal plaka. |
| 3) Voltajın etkisini görmek için bir üreteç. |
| 4) Akımı ölçmek için bir ampermetre. |
Fotonlar (ışık) metal plakaya çarpar çarpmaz, elektron koparmaya başlarlar. Gelen fotonların enerjisinden yararlanan elektronlar, metal plakadan koparlar ve arta kalan enerjileri ise hareket enerjisi olarak kendini gösterir. Kopan elektronlar, karşı taraftaki toplayıcı adını verdiğimiz metal plakaya ulaşır ve bu şekilde akım sağlanmış olur. Eğer hiçbir potansiyel fark uygulanmamış olsaydı akım azalacaktı, çünkü koparılan elektronların bazıları toplayıcıdan başka bir yere gidecekti.
Işığın şiddetini arttırarak, birim zamanda metal plakaya çarpan fotonların sayısını arttırmış oluyoruz. Sonuç olarak koparılan elektronların da sayısını arttırmış oluyoruz. Yani akım artıyor.
FOTOELEKTRİK OLAY
Havası alınmış saydam bir kabın içinde 2 adet elektrot (katot ve anot) bulunsun. (Şekil 1) Yüzeyi metalle kaplanan (örneğin Sezyum) katot üzerine ışık düşünce, devreden geçen bir akım ampermetre ile ölçülür.
Şekil 1: Fotoelektrik deney düzeneği
Bu akım nasıl oluşur?
Elektronlar katottan, düşen ışık yardımıyla sökülürler. Daha sonra pozitif yüklenmiş anot tarafından çekilirler. Katotta elektron salınması nedeniyle oluşan elektron eksikliği, ampermetre üzerinden elektronların akmasına neden olur. Bunun sonucunda devreden geçen bir akım If (fotoakım) ölçülür.
Metal yüzeyinden bu şekilde elektron sökülmesine fotoelektrik olay veya ışık elektrik etkisi, sökülen elektronlara da foto elektronlar denir.
Elektronlar, metal yüzeyinden ancak gerekli enerjiye ulaştıklarında kurtulabilirler. Bu enerjiye bağlanma enerjisi Eb veya eşik enerjisi denir. Bu, metaller için ayırıcı (karakteristik) bir özelliktir. (Tablo 1) Genellikle atom ve molekül fiziğinde, bu enerji elektron volt (eV) birimiyle ifade edilir.
Tablo 1: Bazı metallerin bağlanma enerjisi
Öncelikle bu deneyden çıkaracağımız sonuç; akım şiddetinin yani birim zamanda salınan elektron sayısının, düşen ışığın aydınlatma şiddetiyle artmasıdır. (Şekil 2)
Şekil 2: Fotoakımın, ışığın şiddetiyle değişmesi
Foto elektronların kinetik enerjilerini ölçmek için, fotoselin elektrotlarının kutuplarını değiştirelim. Böylece oluşan elektrik alanından dolayı (başlangıçta pozitif elektrot şimdi negatif olduğundan), artık foto elektronlar yavaşlayacaklardır. Gerilimi artırdıkça bu yavaşlama artacaktır. Belli bir gerilim değerine ulaşıldığında ise artık devreden fotoakım geçmeyecektir. (If = 0) Gerilimin bu değerine, kesme potansiyel farkı denir ve Vk ile gösterilir.(Şekil 2) Bu durumda en hızlı elektronun kinetik enerjisi, tamamıyla sonradan oluşturulan elektrik alanını yenmek için harcanmıştır. Yani en hızlı foto elektronun kinetik enerjisi Ekxn(mak.) = e Vk dir. Vk ; örneğin sarı ışık için 0,40 V, mavi ışık için 1,05 V dur. Eğer foto elektronun sahip olabileceği en büyük (maksimum) kinetik enerjisini, ışığın frekansına bağlayan bir grafik çizersek, buradan elektronun maksimum kinetik enerjisinin ışığın frekansıyla arttığı sonucuna ulaşırız. f frekansıyla Ekxn(mak.) kinetik enerjisi arasında, doğrusal bir ilişki vardır. (Şekil 3)
Şekil 3: Foto elektronların maksimum kinetik enerjilerinin, ışığın frekansıyla değişmesi
Bu grafikten;
e Vk = h f - Eb ( 1 )
eşitliğini çıkarabiliriz. Grafikte çizilen doğrunun eğimi, bize tekrar Planck sabitini verir.
h = 6,626 × 10 -34 Js ( 2 )
Eşik frekansı diye adlandırılan fe frekansına sahip ışık için, sökülen elektronların kinetik enerjisi sıfırdır. Bu durumda metal tarafından soğurulan enerji, bağlanma enerjisini yenmek için harcanır:
h fe = E b ( 3 )
Fotoelektrik Etkisinin Anlamı:
Işığın dalga modeliyle, fotoelektrik deneyini açıklamak mümkün değildir. Bu yüzden yeni bir yol bulmak gerekiyordu. Bu yolu ancak 1905 yılında EİNSTEİN ( 1879-1955; Nobel ödülü 1921 ) bulmuştur:
1) Işık; fotoelektrik olayında E=h f paketleri büyüklüğünde ( kuvantlar halinde ) soğurulan bir enerji akımıdır. Bu enerji paketleri, fotonlar veya ışık paketleri ( ışık kuvantları ) olarak nitelendirilip, elektromanyetik salınımlara atfedilen mikro nesnelerdir. Enerji kuvantumlarının büyüklüğü, sadece ışığın frekansına bağlıdır.
2) Işığın şiddeti artırıldıkça, belirli bir zaman içerisinde metal yüzeyi tarafından soğurulan enerji kuvantumu sayısı da bu oranda artar. Yani düşük şiddetli ışıkta daha az sayıda elektron sökülür. Buna karşın; sökülen bu elektronların maksimum hızı, şiddetli ışıkta (aynı frekansta) sökülen elektronların maksimum hızı ile aynıdır.Ancak, ışığın dalga modelinde düşük şiddetteki ışıkta sökülen elektronların hızından daha düşük olması beklenir.
3) Işık, metal yüzeyinden ancak metal için karakteristik olan eşik frekansı fe ye ulaştığında elektron sökebilir. Işığın dalga modelinde elektron sökülmesinin böyle bir başlangıç ışık frekansına bağlılığı açıklanamaz.
Kaynak: Ramazan Karakale/ Düzenleme : Çetin BAL
Hiçbir yazı/ resim izinsiz olarak kullanılamaz!! Telif hakları uyarınca bu bir suçtur..! Tüm hakları Çetin BAL' a aittir. Kaynak gösterilmek şartıyla siteden alıntı yapılabilir.
The Time Machine Project © 2005 Cetin BAL - GSM:+90 05366063183 -Turkiye/Denizli
Ana Sayfa /index /Roket bilimi /
E-Mail /CetinBAL/Quantum Teleportation-2
Time Travel Technology /Ziyaretçi Defteri /UFO Technology/Duyuru