Fotoelektrik Olayı 1. bölüm Umut Öncül
Fotoelektrik Olayı 2. bölüm Umut Öncül
Fotoelektrik Olayı Soru Çözümleri Umut Öncül
Fotoelektrik Olayı Hocalara Geldik
Foton Nedir?
Modern fiziğin önemli çalışma alanlarından biri olan kuantum fiziği; molekülleri, atomları ve atom altı parçacıkların enerjilerini ve bu parçacıkların davranışlarını inceler. Kuantum fiziğinin uğraş alanı içerisinde yer alan pek çok büyüklük, belirli değerler alabilir. Bu tür büyüklüklere kesikli veya kuantumlu denir. Max Planck 1900 yılında ışığın kuanta adını verdiği küçük enerji paketlerinden oluştuğunu ileri sürmüştür. Albert Einstein (1879-1955) (Görsel 5.7) ışığın foton adını verdiği enerji paketleri hâlinde ilerlediğini ifade etmiştir. Einstein’in ileri sürdüğü fikirler, Planck’ın fikirleriyle de uyuşmaktadır. Bir ışık demetinde enerji taşıyan küçük enerji paketlerine foton denir.
Fotoelektrik Olayı
19. yüzyıl sonlarında yapılan çalışmalarda bazı metallerin üzerine düşürülen ışığın metalden elektron yayınlanmasına sebep olduğu gözlemlenmiştir. Bu çalışmaların başında 1887 yılında Heinrich Rudolf Hertz’in (Henriç Rudolf Hertz, 1857-1894) yaptığı çalışmalar gelir. Hertz’in oluşturduğu düzenekte aralarında kısa mesafe bulunan küreler, bir indüksiyon bobinine bağlıdır. Bobin sağladığı voltaj ile kürelerden birini pozitif, diğerini negatif yüklü hâle getirir. Kürelerin arasında oluşan elektrik alanının büyüklüğü belli bir değere ulaştığında kıvılcım atması olur ve ivmeli hareket yapan elektronlar, elektromanyetik dalga yayar. Elektromanyetik dalgayı oluşturan fotonlar alıcıdaki küreler tarafından soğurulup elektron yayılmasını sağladığından alıcıda akım oluşur. Hertz’in oluşturduğu bu düzenek fotoelektrik olayının ilk kez gözlendiği düzenektir (Şekil 5.9).
Hertz yaptığı deneyler sonucunda ürettiği dalgaların kırınım, kırılma, yansıma ve kutuplanma gibi ışık olaylarını gerçekleştirdiğini kanıtlar. Ayrıca elektromanyetik dalgaların hızlarının ışık hızına eşit olduğu Hertz tarafından ortaya konmuştur. Bir metal yüzeyine düşürülen ışığın metalden elektron koparması olayına fotoelektrik olayı, fotonlar tarafından koparılan elektronlara ise fotoelektron denir. Bir metalin yüzeyine düşürülen her ışık o metalden elektron koparamaz. Elektronların metalden elektron koparabilmesi için sahip olması gereken en küçük enerjiye eşik enerjisi (E0) denir. Tablo 5.1’de bazı metallerin eşik enerjileri verilmiştir. Bir fotonun enerjisi ne kadar yüksek olursa olsun bu enerji tek elektrona aktarılır ve elektron metal yüzeyden koparılır. Fotoelektrik olayı ile ilgili pek çok çalışma yapılsa da en başarılı çalışma 1905 yılında Einstein tarafından yapılmıştır.
Fotonların Sahip Olduğu Maksimum Kinetik Enerji, Durma Gerilimi ve Metalin Eşik Enerjisi Arasındaki İlişki
Fotoelektrik olayının daha iyi anlaşılabilmesi için fotosellerin çalışma prensibi incelenmelidir. Üzerine düşürülen ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren düzeneklere fotosel denir (Şekil 5.13). Fotoseller havası alınmış bir tüp ve içerisine konulan iki metal levhadan oluşur. Alkali metallerden seçilen ve üzerine ışığın düşürüldüğü levhaya katot, katottan kopan elektronların ulaştığı karşı levhaya ise anot denir. Fotosel karanlık bir ortamda iken devrede herhangi bir akım oluşmaz. Katot levhası üzerine ışık düşürüldüğünde gelen fotonların enerjileri metalin eşik enerjisinden küçükse fotonlar katot yüzeyinden elektron sökemez. Bu durumda akım oluşmaz. Katot yüzeyine düşürülen fotonların enerjileri eşik enerjisine eşitse katot yüzeyinden elektron koparılır ancak elektrona kinetik enerji kazandırılamadığı için elektron katot yüzeyinde kalır. Bu durumda da akım oluşmaz. Katot yüzeyine düşürülen fotonların enerjisi metalin eşik enerjisinden büyükse metal tarafından soğurulan fotonun enerjisi Einstein denklemine göre hem elektronu koparır hem de koparılan elektronlara kinetik enerji kazandırır. Elektronlar kazandığı kinetik enerjinin etkisi ile metal yüzeyi terk eder. Bu elektronlardan bir kısmı sapar, bir kısmı anot levhasına ulaşır ve devrede bir akım dolaşmasına neden olur. Oluşan akıma fotoelektrik akım (Ι0) denir (Şekil 5.14).
Maksimum akımı artırmak için katot yüzeyine düşen ışık şiddeti bir başka ifadeyle foton sayısı artırılmalıdır. Kaynak noktasal bir kaynaksa katot yüzeyine yaklaştırılmalı ya da katot yüzeyinin alanı artırılmalıdır. Anot yüzeyinin artırılması, anot-katot arası uzaklığın azaltılması ve katot levhasına düşürülen fotonların frekansının artırılması maksimum akımın büyüklüğünü değiştirmez. Çünkü maksimum akımın belirleyicisi anot levhasına ulaşan elektron sayısıdır. Ayarlanabilir üretecin pozitif kutbu fotoselin katot, negatif kutbu fotoselin anot levhasına bağlandığında (Şekil 5.17) metal yüzeyini maksimum kinetik enerji ile terk eden elektronlar, elektrik alan nedeni ile yavaşlatılır. Bu durumda anot levhasına ulaşan elektron sayısında ve buna bağlı olarak devrede oluşan akımda azalma olur. Üretecin gerilimi artırıldığında anot levhasına ulaşan elektron sayısı giderek azalır. Bu da devrede oluşan akımın iyice azalmasına neden olur. Üretecin gerilimi artırılarak belli bir değere ulaştığında hiçbir elektron, anot levhasına ulaşamaz ve devredeki akım kesilir. Anot levhasına ulaşan elektron sayısını sıfırlayarak devreden geçen akımın kesilmesine neden olan gerilim değerine kesme potansiyeli (durdurma gerilimi) denir (Şekil 5.18).
Bağıntı incelendiğinde kesme potansiyelinin gelen fotonların frekansına bağlı olduğu görülür. Fotonların frekansları artırıldığında uygulanması gereken kesme potansiyelinin değeri de artar. Kesme potansiyelinin frekansa bağlı değişim grafiği Şekil 5.19’daki gibidir. Kesme potansiyelini etkileyen diğer bir faktör de metalin eşik enerjisidir. Eşik enerjisi daha büyük metal kullanılırsa kopan elektronlara kazandırılan maksimum kinetik enerji azalacağından kesme potansi- yeli de azalır. Kesme potansiyeli uygulanmış bir fotoselin yüzeyine düşürülen ışığın şiddeti artırılsa da devrede akım oluşmaz. Kaynağın ışık şiddeti artırılsın ya da azaltılsın kopan elektronların maksimum kinetik enerjileri değişmediğinden kesme potansiyeli değişmez.
Fotoelektrik Olayının Günlük Hayattaki Uygulamaları
Fotoelektrik olayının günlük hayatta en yaygın kullanım şekli fotosellerdir. Fotoseller üzerlerine düşürülen ışık nedeniyle gerilim oluşturan ışık algılayıcılarıdır. Fotoseller kullanıldıkları devrede anahtar görevi görür. Hava karardığında sokak lambalarının kendiliğinden yanması veya aydınlandığında sönmesi fotoseller sayesinde olur. Fotoselli muslukta kızılötesi bölgeden ışık yayan bir LED lamba ile bir algılayıcı bulunur. Lambadan yayılan ışık ele çarpıp tekrar fotosele döndüğünde algılayıcı tarafından alınır. Algılanan hareket valfe aktarılır ve valf hareketli kısmını çekerek su yolunu açar (Görsel 5.8). Böylece toplu kullanım alanlarında bulunan lavabolarda musluklara dokunmadan su akıtılarak kişisel hijyen sağlanmış olur. Su ve enerji kaynaklarının hızla tükendiği dünyada tasarruflu olmanın önemi bir kez daha ortaya çıkmaktadır. Fotoseller sayesinde elektrik akımı veya musluktaki su kontrol edilerek tasarruf yapılması sağlanabilir. Fotosellerin kullanım alanlarından biri de hırsız alarmlarıdır (Şekil 5.20).Fotosele ışın düşürülüp fotoelektrik akımı oluşturulur. Oluşan akım bobinin mıknatıslanmasını sağlar ve anahtar çekilir. Işık kaynağı ile fotosel arasına bir kişi girdiğinde fotosele ışık düşmez ve akım kesilir. Bu durumda bobin mıknatıslık özelliğini kaybeder ve anahtar yayın uyguladığı kuvvet nedeniyle kapanır. Zil devresinden geçen akım alarmın çalmasına neden olur. Fotoseller, sinema filmlerinin ses kayıt okumasında, otomatik açılıp kapanan kapılarda, elektronik dizgi makinelerinde, yangın ve duman dedektörlerinde kullanılır. Fotoelektrik olayının kullanım alanlarından biri de fotoğraf makinelerinin pozometrelerindeki dedektörlerdir (Görsel 5.9). Pozometreler fotoğraf çekilecek ortamdaki ışık şiddetini ölçmek için kullanılır. Pozometre üzerine düşen ışığın oluşturduğu akım miktarına göre ortamın ışık şiddeti belirlenir. Güneş ışığı atmosferi geçerken ozon tabakasında süzülür. Bu süzülme sırasında ozon tabakası ultraviyole (morötesi) ışınlarının çok zararlı olanlarını tutar. Ancak ozon tabakasının incelmesi veya delinmesi nedeniyle ultraviyole ışınlar yeryüzüne ulaşır. Bu ışınlar özellikle göze ve cilde zarar verir. Bu ışınların göze zarar vermemesi için güneş gözlüklerinin kullanılması gerekir (Görsel 5.10). Çünkü güneş gözlükleri ultraviyole ışınlarını yansıtır ve göze ulaşmasını engeller. Güneş gözlüğü takıldığında ya da hava karardığında gözün daha net görebilmesi için göz bebekleri büyür. Sahte güneş gözlükleri ultraviyole ışınlarını yansıtamaz ve büyüyen göz bebeklerinin içine bu ışınlar düştüğünde göz sinirleri zarar görür. Bu durumdan da göz sağlığı olumsuz etkilenir.
