Fotoelektrik Etki Nedir? Foton Parçacıklarının Yarattığı Etkinin Açıklaması

0

Fotoelektrik etki nedir? Einstein’a Nobel kazandırmış çalışması olan ve foton parçacıklarının oluşturduğu etki olan fotoelektrik etki açıklaması

Fotoelektrik Etki

Bakır bir levhaya morötesi ışık düştüğünde elektrik üretilir. Bu “fotoelektrik” etki, Albert Einstein’a kadar gizemini korumuştu. Max Planck’ın enerji kuantalarından esinlenen Einstein, ışık parçacıkları, yani foton fikrini geliştirdi. Einstein ışığın dalga gibi davranmasının yanında foton parçacıkları gibi de davranabildiğini gösterdi.

20. yüzyılın başında fizikte yepyeni bir pencere açılmıştı. 19. yüzyılda morötesi ışığın metallerdeki elektronları hareketlendirdiği ve akım oluşturduğu iyi biliniyordu. Bu olgunun anlaşılması sayesinde fizikçiler yepyeni bir dil icat etti.

Fotoelektrik Etki

Mavi bombardıman

Metaller mavi veya morötesi ışıkla aydınlatıldığında fotoelektrik etki nedeniyle elektrik akımı üretir ama kırmızı ışıkla aydınlatıldığında üretmezler. Kırmızı ışık parlak bile olsa akım oluşturamaz. Yük akışı, gelen ışığın frekansı metalden metale değişen belli eşikleri aştığında gerçekleşir ancak. Böyle bir eşiğin varlığı, yüklerin yerlerinden oynatılabilmesi için belli miktarda enerjinin birikmesi gerektiğini gösteriyordu. Onları serbest bırakacak enerji ışıktan gelmeliydi ama 19. yüzyılın sonlarında böyle bir şeyin nasıl olabileceği bilinmiyordu. Hareket eden elektrik yükleri ile elektromanyetik dalgalar birbirinden çok farklı fiziksel olaylar gibi görünüyordu ve nasıl birleştirilebilecekleri bir muammaydı.

Albert Einstein

Albert Einstein 1905’te fotoelektrik etkiyi açıklayan radikal bir fikir ortaya attı ve bu çalışması 1921’de ona Nobel Ödülü’nü kazandırdı.

Fotonlar

1905’te Albert Einstein fotoelektrik etkiyi açıklayan radikal bir fikir ortaya attı. 1921’de ona Nobel Ödülü’nü kazandıran da görelilik kuramı değil, bu çalışmasıdır. Daha önce Max Planck’ın sıcak atomların enerji bütçesini yapmak için kuantaları kullanmasından esinlenen Einstein, ışığın da minik enerji paketlerinden oluşuyor olabileceğini düşündü. Einstein, Planck’ın matematiksel kuanta tanımını olduğu gibi aldı ama bunu atomlara değil de ışığa uyguladı. Einstein’ın ışık kuantası sonradan foton adını aldı. Fotonların kütlesi yoktur ve ışık hızında ilerlerler.

Einstein metalin dalgalar halindeki ışık tarafından değil, tek tek fotonlarca bombardımana uğratıldığını ileri sürdü. Fotonlar metaldeki elektronlara birer mermi gibi çarparak onları harekete geçirip fotoelektrik etkiye yol açıyordu. Her foton kendi frekansıyla orantılı belli bir miktar enerji taşıdığı için, çarpılan elektronların enerjisi de ışığın frekansıyla orantılı oluyordu.

Bir kırmızı ışık fotonu düşük frekanslı olduğu için bir elektronu yerinden edecek büyüklükte enerji taşımaz ama daha yüksek frekanslı olan mavi bir fotonun daha büyük bir enerjisi vardır ve bir elektronu harekete geçirebilir. Morötesi bir fotonun enerjisi daha da büyük olur ve dolayısıyla ‘ çarptığı elektronu daha hızlı hareket ettirir. Işığın parlaklığını arttırmanın hiçbir etkisi olmaz. Elektronları yerinden oynatacak gücü olmayan kırmızı fotonların miktarını arttırmak bir şey değiştirmez. Bu bir arabaya pinpon topları fırlatmak gibidir.

Einstein’ın ışık kuantası fikri ilk başta pek popüler olmadı, çünkü fizikçilerin çoğunun büyük saygı duyduğu Maxwell denklemleriyle özetlenen ışığın dalga tanımıyla çelişiyordu. Ne var ki deneyler Einstein’ın tuhaf fikrinin doğru olduğunu gösterince durum değişti. Deneyler, serbest kalan elektronların enerjilerinin ışığın frekansıyla orantılı olduğunu doğruladı.

Dalga-parçacık ikiliği

Einstein’ın ortaya attığı düşünce, tartışmalı olmasının yanında dalga-parçacık ikiliği denen ve ışığın aynı anda hem dalga hem de parçacık olması gibi rahatsız edici bir düşünceyi de gündeme getirdi. Maxwell’in denklemlerine kadar ışığın davranışları -engelleri aşarken bükülmesi, yansıması, kırılması ve girişim yapması- hep dalga gibiydi. Ama şimdi Einstein ışığın aynı zamanda akan foton mermilerinden oluştuğunu göstererek ortalığı karıştırmıştı.

Maxwell Denklemleri

Maxwell Denklemleri

Fizikçiler hâlâ bu ikilikle boğuşur. Bugün ışığın farklı koşullarda nasıl davranması gerektiğini biliyormuşcasına hareket ettiğini biliyoruz. Işığın dalga özelliklerini gözlemlemek için tasarlanmış bir deneyde, örneğin bir kırınım ağından geçirildiğinde, ışık dalga gibi davranır. Parçacık özelliklerini gözlemlemek için tasarlanmış bir deneyde ise parçacık gibi davranır.

Fizikçiler ışığın gerçek doğasını ortaya çıkarmak için zekice deneyler yapsalar da şimdiye kadar hep başarısız oldular. Bunların çoğu Young’ın çift yarık deneyinin çeşitlemeleriydi. Bir ışık kaynağından çıkıp iki ince yarıktan geçerek bir ekrana düşen ışık ışınları düşünün. Her iki yarık da açıkken girişim saçaklarına benzeyen aydınlık-karanlık şeritler görürsünüz. Dolayısıyla ışık, bildiğimiz üzere, dalgadır. Işığı kısarak fotonların yarıklardan teker teker geçeceği düzeye kadar düşürdüğümüzde, bir dedektörle her bir fotonun ekrana çarpışını saptayabiliriz. Bu durumda bile fotonlar ekran üzerinde şeritlerden oluşan girişim desenleri oluşturacak şekilde yığılır.

Peki tek bir foton, ekranda girişim dalgası oluşturacak şekilde hangi yarıktan geçeceğini nereden bilir?

Eğer yeterince hızlı davranırsanız, foton ışık kaynağından çıkar çıkmaz veya yarıklardan geçmiş ama daha ekrana düşmemişken yarıklardan birini kapatabilirsiniz. Fizikçiler test ettikleri her durumda fotonların bir mi yoksa iki mi yarık olduğunu biliyormuş gibi davrandıklarını gördüler. Hatta ortada tek bir foton olmasına rağmen, sanki aynı anda iki yarıktan birden geçiyormuş gibi görünüyordu.

Fotoelektrik Etki

Fotonun hangi yarıktan geçtiğini gözlemlemek için yarıklardan birinin yanına bir dedektör konduğunda, şaşırtıcı bir biçimde ekranda girişim deseni oluşmamaya başlar. Fotonlar ekranda tek bir yığın oluşturur ve girişim saçakları oluşmaz. Yani fotonları iş üstünde yakalamak için ne yaparsanız yapın, sanki tüm yapılanları biliyor gibidirler. Ve aynı anda hem dalga hem de parçacık gibi davranırlar – ikisinden tek bir tanesi gibi değil.

Madde dalgaları 1924’te Louis-Victor de Broglie madde parçacıklarının da dalga gibi davranabileceği fikrini ortaya attı. Her nesnenin kendine özgü bir dalgaboyu olduğunu, dolayısıyla parçacık-dalga ikiliğinin sırf ışığa özgü olmadığını ileri sürdü. Uç yıl sonra elektronların tıpkı ışık gibi kırındığı ve girişim yaptığı gözlenince, madde dalgası fikri kanıtlanmış oldu. Günümüz fizikçileri nötron ve proton gibi daha büyük parçacıkların, hatta karbondan mikroskobik futbol topuna benzetebileceğimiz “bucky” kürelerinin de aralarında olduğu bazı moleküllerin bile dalga gibi davrandığını gözlediler. Bilye ya da porsuk gibi büyük nesnelerin dalgaboyları çok çok küçük olur; öyle ki onların dalga gibi davrandığını gözlemleyemeyiz. Bir tenis topunun dalgaboyu 10^-34 metredir; yani bir protonun çapından (10^-15 metre) çok daha kısadır.

Işığın aynı zamanda bir parçacık, elektronların da aynı zamanda bir dalga oluşuyla fotoelektrik etki bizi başladığımız noktaya geri getirir.


Bir Yorum Yazmak İster misiniz?