7.4: Fotoelektrik Olay

Belirli bir dalga boyundaki ışık metal bir yüzeye çarptığında, elektronlar yayılır. Buna fotoelektrik olay denir. Bu tür elektron emisyonlarına neden olabilecek minimum ışık frekansına metale özgü eşik frekansı denir. Eşik frekansından daha düşük frekanslı ışık, yüksek yoğunlukta olsa bile elektron emisyonunu başlatamaz. Bununla birlikte, frekans eşik değerden yüksek olduğunda, atılan elektron sayısı doğrudan ışının yoğunluğu ile orantılıdır.

Klasik dalga teorisine göre, bir dalganın enerjisi frekansına değil yoğunluğuna (genliğine bağlıdır) bağlıdır. Bu gözlemlerin bir kısmı, belirli bir süre içinde atılan elektron sayısının parlaklık arttıkça arttığı görülmesiydi. 1905'te Albert Einstein, Planck'ın nicemleme bulgularını ışığın gözden düşmüş parçacık görünümüne dahil ederek paradoksu çözmeyi başardı.

Einstein, Planck'ın varsaydığı nicelenmiş enerjilerin fotoelektrik etkideki ışığa uygulanabileceğini savundu. Metal yüzeye çarpan ışık bir dalga olarak görülmemeli, bunun yerine enerjisi frekanslarına bağlı olan bir parçacık akışı (daha sonra fotonlar olarak adlandırılır) olarak görülmelidir.Bir ışık paketindeki enerji miktarı (E) aşağıdaki denkleme göre frekansına (ν) bağlıdır:

where h Planck sabitidir.

Fotoelektrik olay, ışığın nicemlendiğini varsayarak tanımlanabilir. Bir elektron tarafından deneyimlenen bağlanma enerjisinin (Φ) üstesinden gelmek için belirli bir minimum enerji gerekir. Bu aynı zamanda metalin iş fonksiyonu (W) olarak da bilinir.

Metaldeki elektronlar, onları orada tutan belirli miktarda bağlanma enerjisine sahip olduklarından, çarpan ışığının elektronları serbest bırakmak için daha fazla enerjiye sahip olması gerekir. Düşük frekanslı ışığın fotonları, elektronları metalden fırlatmaya yetecek kadar enerji içermez. Metal uzun süre böyle bir ışığa maruz kalsa bile elektron emisyonu gözlenmez. Bir elektron ancak iş fonksiyonundan daha büyük enerjiye sahip bir foton metale çarptığında yayılabilir.

Fotonun fazla enerjisi, yayılan elektronun kinetik enerjisine dönüştürülür.

Bu nedenle, elektronlar, yeterli enerjiye (eşikten daha büyük bir frekansa) sahip fotonlar tarafından vurulduğunda dışarı atılır. Gelen ışığın frekansı ne kadar büyükse, kaçan elektronlara çarpışmaların verdiği kinetik enerji o kadar büyük olur. Einstein ayrıca ışık yoğunluğunun gelen dalganın genliğine bağlı olmadığını, bunun yerine belirli bir süre içinde yüzeye çarpan fotonların sayısına karşılık geldiğini savundu. Püskürtülen elektronların sayısı parlaklıkla artar. Gelen fotonların sayısı arttıkça, bazı elektronlarla çarpışmaları daha olasıdır.

Fotoelektrik olay güçlü bir şekilde ışığın parçacık davranışını gösterir. Einstein, fotoelektrik olayı açıklaması nedeniyle 1921'de Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı. Birçok ışık fenomeni dalgalar veya partiküller olarak açıklanabilse de, ışık çift yarıktan geçerken elde edilen girişim desenleri gibi bazı fenomenler, ışığın partikül görünümüne tamamen aykırı iken, fotoelektrik gibi diğer fenomenler etkisi, ışığın dalga görünümüne tamamen aykırıdır. Her nasılsa, derin bir temel seviyede hala tam olarak anlaşılamamıştır, ışık hem dalgalı hem de parçacık benzeridir. Bu dalga-parçacık ikiliği olarak bilinir.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 6.1: Electromagnetic Energy.

Belirli bir dalga boyu ve frekanstaki ışık bir metale çarptığında, elektronlar metalden koparılır. Bu fenomen, fotoelektrik etki olarak bilinir. Bununla birlikte, yalnızca bir eşik frekansının üzerindeki ışınlar elektronları metalden fırlatabilir.

Daha düşük frekanslı ışık, yoğunluğu ne olursa olsun elektronları fırlatmaz. Bu neden böyledir? Albert Einstein, ışığın bir parçacık akışı veya küçük paketler gibi davrandığını öne sürmüştür.

Bir birim ışık foton olarak adlandırılır. Her fotonun frekansı yani nu'ya bağlı olan bir enerjisi vardır. Bu ikisi, h'nin Planck sabiti olduğu ve 6, 626 çarpı 10 üzeri eksi 34 jul-saniye değerine sahip olduğu bu denklemle ilişkilidir.

Daha yüksek frekanslı ışık ve dolayısıyla fotonlar, daha büyük enerjiye sahiptir. Bir elektron, bağlanma enerjisi phi'ile bir metale bağladır. Bu aynı zamanda metalin iş fonksiyonu W olarak da bilinir.

Bu nedenle, çekici kuvvetlerin üstesinden gelmek ve elektronu yerinden koparmak için W'dan daha büyük bir enerji miktarı gereklidir. W'dan daha büyük enerjiye sahip bir foton metale çarptığında, fazla enerjisi kinetik enerji olarak elektrona aktarılır ve elektron dışarı atılır. Fotoelektrik etkiyi özetlemek gerekirse, düşük frekanslı, uzun dalga boylu ışık metalden herhangi bir elektron çıkaramaz.

Düşük frekanslı ışığın yoğunluğunu artırmak yalnızca foton sayısını artırır. Her foton hala aynı enerjiye sahiptir ve bu da elektronları yerinden oynatmak için yeterli değildir. Eşik frekansından daha yüksek frekansa sahip daha kısa dalga boylu ışık, elektronları fırlatır çünkü bu durumda her bir foton daha yüksek enerjiye sahiptir.

Işığın frekansı arttıkça, fotonun enerjisi ve dolayısıyla fırlatılan elektronun kinetik enerjisi de artar. Işığın yoğunluğu arttıkça, daha fazla foton metale çarpar ve atılan elektron sayısı da artar. Fotoelektrik etki, ışığın parçacık davranışını gösterir.