Fotoelektrik Akımı Konu Anlatımı

0
Advertisement

Fotoelektrik akımı nedir, nelere bağlıdır? Fotoelektrik akımı nasıl hesaplanır, özellikleri, konu anlatımı.

Fotoelektrik Akımı

a) Dış devrede üreteç yoksa:

Şekil: 4-5 deki gibi havası boşaltılmış bir cam kap ve iki metal levhadan oluşan fotosele bir hassas ampermetre bağlar ve enerjisi metalin bağlanma enerjisinden büyük olan ışık düşürürsek ampermetrenin saptığını görürüz. Işığın düştüğü metal levhaya katot, elektronların ulaştığı metal levhaya ise anot denir. Katot olan levhaya ışınların dik düşmesi ihtimalinin fazla olması için levhanın yüzeyi küresel hale getirilerek büyütülür. Katottan yayılan fotoelektronların ancak bir kısmı anota ulaşabilir. Anota ulaşamayan elektronlar cam kap içinde gelişi güzel hareket ederler. Bu devrede ampermetreden geçen akıma \displaystyle {{I}_{0}} denilirse bu akım, anoda birim zamanda çarpan fotoelektronların sayısı demektir. Öyleyse \displaystyle {{I}_{0}};

fotoelektrik-sekil-4-5

1. Fotosele gelen foton sayısı ile doğru orantılıdır. Çünkü foton sayısı art-tırılınca sökülen fotoelektron sayısı artar ve anoda daha çok fotoelektron ulaşabilir. (Şekil: 4-6)

Advertisement

fotoelektrik-sekil-4-6

2. Metal levhalar arasındaki uzaklıkla ters orantılıdır. Metal levhalar arasındaki uzaklık küçültülürse boşlukta dolaşan fotoelektronların bir kısmı daha anoda ulaşacaktır. Yani katottan sökülen fotoelektronların anoda ulaşma ihtimali artacağından \displaystyle {{I}_{0}} akımı büyür. Tersi olayda ise küçülür.

3. Katoda gelen fotonlara engel olmamak şartıyla anot yüzeyinin büyüklüğü ile doğru orantılıdır.

4. Fotoelektronların sayısının ışığın şiddetine, katot yüzeyinin büyüklüğüne ve kaynak noktasal ise katoda yakınlığına bağlı olduğu unutulmamalıdır.

Advertisement

5. Gelen fotonun enerjisinin artması \displaystyle {{I}_{0}} akımını arttırdığı gibi, daha düşük bağlanma enerjili metal kullanılarak da \displaystyle {{I}_{0}} akımı arttırılabilir. Çünkü sonradan çıkan fotoelektronların önceden gitmiş ve anoda ulaşamamış engelleyici elektronları aşabilmesi için daha büyük kinetik enerji ile anado doğru fırlamaları gerekir.

b) Üretecin pozitif kutbu anoda, negatif kutbu da katoda bağlanmışsa:

fotoelektrik-sekil-4-7

Şekil: 4-7 deki gibi fotosel lambayı üreteçle bağlantılı hale getirirsek anot ile katot arasındaki potansiyel farkı anottan katoda doğru bir elektrik alan meydana getirecektir. Elektrik alan etkisiyle anoda ulaşan fotoelektron sayısı artacaktır. Bu da fotoelektrik akımını arttıracaktır. Katot anot arası potansiyel farkı arttırılırsa fotoelektrik akım artmaya devam edecektir. Potansiyel farkının belli bir değerinden sonra fotoelektrik akım maksimum değerine ulaşarak sabitlenecektir. (Şekil: 4-8)

Advertisement

fotoelektrik-sekil-4-8

Potansiyel farkının daha da arttırılması fotoelektrik akımının değerini arttırmayacaktır. Bu da katottan sökülen elektronların hepsinin anota ulaşmış olması demektir. Katottan sökülen fotoelektronların tümünü anota ulaştıran gerilime doyma gerilimi, doyma gerilimindeki akıma da doyma akımı ya da maksimum akım \displaystyle \left( {{I}_{\max }} \right) denir.

Doyma geriliminin etkisi ile maksimum akıma ulaşıldıktan sonra fotoelektrik akım şiddeti,

1) Işığın frekansından
2) Anot katot arası uzaklığından
3) Anot levhanın yüzey alanının büyüklüğünden

Advertisement

etkilenmez. Ancak fotoelektronların sayısını arttıracak değişiklikler maksimum akımı arttırır.

Fotoelektronların herbirinin anota çarptığında kinetik enerjisi;

\displaystyle h\nu +eV={{E}_{b}}+{{E}_{k}}

bağıntısından bulunur.

Advertisement

c) Üretecin pozitif kutbu katoda, negatif kutbu da anoda bağlanmışsa:

fotoelektrik-sekil-4-9

Şekil: 4-9 daki gibi fotosel lambada üretecin (+) kutbunu katoda, (-) kutbunu da anota bağlarsak, katot (+) yükleneceğinden sökülen elektronlar pozitif yükler tarafından geri çekilirken negatif yükler tarafındanda geri itilirler. Fakat buna rağmen büyük hıza sahip olan fotoelektronlar akımın geçişini devam ettirirler. Bu, katot-anot arası ters gerilimin belli bir değerinde akım kesilir. Akımın kesilme sebebi fotoelektronların maksimum kinetik enerjilerinin bile anoda ulaşmaya yetmemesidir. Fotoelektrik akımını sıfır yapan bu negatif potansiyel farkına kesme potansiyel farkı (Vk) denir. Ters gerilim ne kadar arttırılırsa arttırılsın anottan katoda doğru fotoelektrik akım oluşturulamaz. Fotosel lambadaki boşluk iyi bir yalıtkan olduğundan akımı engeller. (Şekil: 4-10) daki grafikte de akımın negatif bölgeye geçmeyişiyle akımın oluşmadığı gözlenmektedir.

fotoelektrik-sekil-4-10

Advertisement

Kesme potansiyel farkının büyüklüğü fotoelektronların maksimum kinetik enerjileriyle doğru orantılı olarak değişir. Elektronun yükü e olmak üzere elektronun kinetik enerjisi ile kesme potansiyel farkı arasında

\displaystyle e.{{V}_{k}}=\frac{1}{2}m\vartheta _{m}^{2}

bağıntısı vardır. Bu değer, Einstein’in fotoelektrik denkleminde yerine konursa,

\displaystyle \frac{h.c}{\lambda }=h.\nu ={{E}_{b}}+e.{{V}_{k}}

Advertisement

şekline dönüşür.

Bu bağıntıdan da görüldüğü gibi kesme potansiyel farkı,

1. Gelen ışığın frekansı arttıkça artar, azaldıkça azalır.

2. Gelen ışığın dalga boyu arttıkça azalır, azaldıkça artar.

Advertisement

3. Katotdaki metalin bağlanma enerjisi arttıkça azalır, azaldıkça artar. Kesme potonsiyel farkına ulaştıktan sonra foton sayısını arttırıcı bir değişiklik yapılsa, ya da anot-katot yüzeylerinin büyüklüğü değiştirilse veya anot-katot birbirine yaklaştırılsa, bunların hiçbirinde yeniden akım başlatılamaz.

fotoelektrik-sekil-4-11

Aynı fotosel lambaya gönderilen K ve L ışık demetleri için akım – gerilim grafikleri Şekil: 4-11 deki gibi olursa akımların maksimum değerlerinin farklı oluşu, K’ nın ışık şiddetinin L ninkinden büyük olduğunu gösterir. Kesme gerilimlerinin eşit oluşu da K ve L ışık fotonlarının enerji, frekans ve dalga boylarının (renklerinin ) aynı olduğunu gösterir.

fotoelektrik-sekil-4-12

Advertisement

Aynı fotosel lambaya gönderilen K ve L ışık demetleri için akım – gerilim grafikleri Şekil: 4-12 deki gibi olursa, maksimum akımların \displaystyle \left( {{I}_{\max }} \right) aynı olması K ve L ışıklarının şiddetlerinin aynı olduğunu gösterir. K nın kesme geriliminin L ninkinden büyük olması, K ışığı fotonunun enerjisinin ve frekansının L ninkinden büyük, dalga boyunun ise L ninkinden küçük olduğunu gösterir.

Aynı renkli K ve L ışık demeti farklı fotosellere gönderildiğinde akım – gerilim grafiği Şekil: 4-12 deki gibi olursa, Einstein’in fotoelektrik denkleminden

\displaystyle h.\nu ={{E}_{b}}+e.{{V}_{k}}

gelen ışığın fotonlarının enerjisi aynı olduğundan, K nın kesme geriliminin L ninkinden büyük olması, K ışınlarının ulaştığı metalin bağlanma enerjisinin L ışınlarının ulaştığı metalinkinden küçük olduğunu gösterir.

Advertisement

fotoelektrik-sekil-4-13

K ve L ışık demetlerinin, katodunda aynı cins alkali metal olan farklı fotosellere gönderilmesiyle akım – gerilim grafiği Şekil: 4-13 deki gibi olursa, maksimum akımların eşit olması K ve L ışık şiddetlerinin eşit olduğunu, kesme potansiyel farklarının eşit olması da K ve L ışık fotonlarının aynı enerji, frekans ve dalga boyuna sahip olduğunu göstermektedir. Grafikte \displaystyle {{I}_{OL}} ve \displaystyle {{I}_{OK}} akımlarının farklı oluşu fotosel lambalarının anot katot arası uzaklıklarının farklı oluşundan kaynaklanmaktadır.

fotoelektrik-sekil-4-14

Sabit akılı, farklı frekansta ışıklar, aynı fotosel lambaya aynı biçimde düşürülürse, fotoelektrik akım-gerilim grafiği Şekil: 4-14 deki gibi olmaktadır. Burada ışık frekanslarının artışı I0 akımının artışına neden olurken, maksimum fotoelektrik akımını \displaystyle \left( {{I}_{\max }} \right) etkilememektedir.

Advertisement

Einstein’in fotoelektrik denkleminden

\displaystyle h\nu ={{E}_{b}}+{{E}_{k}}

bağlanma enerjisi küçük olanın kinetik enerjisinin büyük olacağı açıktır.

Advertisement

Leave A Reply