Fotoelektrik Etki Nedir? Tarihçesi ve Kullanıldığı Alanlar

Eski çağlardan beri ışığın doğası her zaman merak edilen konuların başında gelmiştir. İlk olarak Heinrich Hertz tarafından 1887 yılında keşfedilen fotoelektrik etki, ışığın yapısını açıklayan bilimsel bir yaklaşımdır.

Genellikle elektrokimya veya elektronik fizik gibi alanlarda kullanılmaktadır. 

Modern fiziğin önemli konularından olan fotoelektrik etkiyi incelediğimiz yazımızda fotoelektriğin nasıl keşfedildiğini ve günlük yaşamda ve bilimsel araştırmalarda nasıl kullanıldığını bulabilirsiniz.

Fotoelektron Nedir?

Fotoelektron, ışık etkisiyle maddelerin yapısından kopan elektronlar olarak ifade edilebilir. Diğer bir ifade ile bir fotonun (ışık veya elektromanyetik radyasyon çeşitlerini sembolize eden parçacık) ışın yayıcı yüzeye çarpması sonucunda kopan elektronlardır. 

Işığın yapısı üzerine gerçekleştirilen bilimsel çalışmalardan bazıları ışığın dalga yapısı, bazıları ise parçacık yapısı ile açıklanabileceğini savunmuştur. Ancak, kuantum fiziğinin gelişmesi ile birlikte ışığın hem parçacık hem de dalga yapısına sahip olduğu görüşü hakim kılınmıştır. 

Fotoelektron, ışığın tanecik modeli ile açıklanmasında önemli bir aşamadır. Bu etkinin keşfedilmesi ile birlikte ışığın doğası klasik fiziğin konusu olmaktan çıkarak modern fizik ile açıklanır hale gelmiştir. 

İlk olarak Alman fizikçi Heinrich Heart, sonrasında Albert Einstein tarafından fotoelektron üzerine yapılan gözlemler ve bilimsel çalışmalar, ışığın doğasının modern fizik ile açıklanmasını mümkün kılmıştır. Fotoelektrik etki, 19. yüzyılda fizik alanında yaşanan önemli keşifler arasındadır.

Fotoelektrik Etki Nedir?

Fotoelektrik etki, ışığın maddenin yüzeyine çarpması sonucunda elektron koparması olayıdır. Fotoemisyon genellikle metallerde ve diğer iletken maddelerde ortaya çıkar.

Genellikle metallerde maddeden maddeye değişen bir frekans eşiği bulunur. Metalin frekans değerinden yüksek enerjiye sahip ışık, maddenin yüzeyine çarptığında fotoelektrik etki meydana gelir.

Işık maddenin yüzeyine yansıdığında, cismin yapısındaki elektrona çarparak bütün enerjisini aktarır. Elektrona aktarılan enerji, taneciğin maddeden ayrılmasına neden olur. Bu olay, ışık etkisi ile maddenin atom yapısından elektronun kopması olarak ifade edilir. Fizik biliminde fotoelektrik etki, fotoemisyon olarak da tanımlanır.

• Fotoelektriğin Matematiksel Tanımı

Einstein tarafından formülize edilen fotoemisyon olayında f frekanslı ışık bir foton paketi olarak ele alınmıştır. 

Her fotonun bir E enerjisine sahip olduğu esasından yola çıkılarak, metal yüzeyinden koparılan elektronların Kmax değerinde bir kinetik enerjisi olduğu ileri sürülmüştür.

Einstein tarafından fotonun E enerjisi formülü E= hf esas alınarak elektronların kinetik enerjisinin tespit edilmesi için aşağıdaki denklem ile fotoelektrik matematiksel olarak tanımlanmıştır.

         Kmax= hf - Ø

• Kmax yüzey tarafından yayılan elektronların maksimum kinetik enerjisidir.
• Formüldeki hf fizikte Plank sabiti olarak tanımlanır. Plank sabiti, metal yüzeye çarpan fotonun frekansını ifade eder.
• Ø simgesi ise metalin yüzeyinden elektron kopması için gerekli olan minimum eşik frekansı olarak tanımlanabilir.

Metalden koparılan elektronun maksimum enerjisinin tespit edilmesi için bu iki değere ihtiyaç vardır. Fotoelektriğin matematiksel tanımı ile olayın fizikte formülize edilmesi sağlanır.

Bonus: Fotoelektrik Olay Deneyi

Fotoelektrik Etkisinin Tarihçesi

Fotoelektrik etkisi üzerine çalışmalar ilk olarak 19. yüzyılda başlamış, klasik fizik kuramları ile ışığın doğası açıklanmaya çalışılmıştır. 

Bu alandaki öncü çalışmaların temeli Alman fizikçi Heinrich Hertz tarafından atılmıştır.

Ünlü fizikçi metal bir yüzey üzerine ışık düşürerek gerçekleştirdiği deneyinde, ışığın maddenin yapısındaki elektronların kopmasını sağladığını gözlemlemiştir.

Ancak, bu gözlem klasik fizik yasaları çerçevesinde teori halini kazanmamıştır. Bu olayın anlamlandırılması için modern fizik yaklaşımı gereklidir. 

1887’de Heinrich Hertz tarafından yapılan keşiften sonra 1900 yılında Philipp Lenard ışığın gaz maddeler üzerindeki etkisini incelemiştir. Ünlü bilim insanı, çalışmasında gazların morötesi ışık altında iyonize olduğunu, bu olay sonucunda maddenin yapısında pozitif yüklü iyonların arttığını gözlemlemiştir. 

Bu deneyler sonucunda elde edilen verilerin klasik fizik kapsamında elektromanyetizma ile açıklanması mümkün olmamıştır. Klasik fizikte elektromanyetik yaklaşıma göre ışığın doğası dalga olarak kabul görmüştür. 

1887, 1900 yıllarında metal ve gaz maddelerin ışık etkisi ile reaksiyon vermesi ise ışığın tanecik doğasına işaret etmiştir. 

Albert Einstein tarafından Heinrich Hertz, Max Planck’ın ışık ile ilgili yaptığı çalışmalar genişletilerek fotoelektrik yasası tanımlanmıştır. Bu etki modern fiziğin önemli aşamaları arasında yer almıştır. 

Fotoemisyon etkinin tarihçesi şu şekilde ifade edilebilir:

• 1887- Heinrich Hertz’in metal maddeler üzerine düşen fotonun elektron kopmasına neden olduğunu keşfetmesi
• 1905- Albert Einstein’in fotoelektrik etkiyi formülize etmesi
• 1914- Robert Milikan’ın Einstein’ın fotoelektrik etki yasasını onaylaması
• 1921- Albert Einstein’ın ‘fotoelektrik etki yasasının’ küresel ölçekte Nobel ödülü ile duyurulması
• 1923- Robert Milikan’ın fotoemisyon etki ve temel elektrik yükü ile ilgili bilimsel çalışmalarının küresel ölçekte Nobel Ödülü ile onaylanması

Fotoemisyon üzerine gerçekleştirilen çalışmalar modern fiziğe geçişin temelini oluşturmuştur. 19. ve 20. yüzyılda bilimde yaşanan gelişmelerle klasik fizik kuramlarının yerini kuantum teorisi almıştır.

İlginizi Çekebilir

Elektriği Kim Buldu? Elektriğin Tarihi

Albert Einstein ve Fotoelektrik: Nobel Ödülü Kazandıran Keşif

20. yüzyılda yetişen önemli bilim insanları arasında bulunan Albert Einstein 1905 yılında Max Planck tarafından öne sürülen Kuanta teorisini esas alarak Fotoelektrik olayını tanımlamıştır.

Fotoemisyon üzerine ileri sürdüğü yeni gözlemler fizik dünyasında önemli gelişmeler yaşanmasını sağlayarak modern fiziğin öncü çalışmaları arasında yer almıştır. Bu nedenle, 1921 yılında Einstein kendisine Fotoelektrik Etki Yasası ile Nobel Ödülü’nü kazandıran keşfe imza atmıştır. 

Einstein klasik fizikten farklı olarak metal cisim üzerine düşen ışığın bir diğer ifadeyle foton demetinin maddenin yapısından elektron koparmasını ışığın tanecik yapısı ile açıklamıştır. Einstein savında ışığın bir dalga olmadığını, foton demetinden oluştuğunu ileri sürmüştür.

Bilim insanı; fotonların bir frekansa sahip olduğu, bu frekansın eşik değerine ulaştığı veya aştığı durumlarda metal maddelerin yüzeyine çarptığında elektron kopmasının meydana geldiğini deneylerde gözlemleyerek formülize etmiştir. Fotonların frekansının eşik değerinin altında olup metal yüzeye çarptığı durumlarda ise maddeden elektron yayılmaz. 

Metal maddeden elektron kopmasındaki etken fotonun frekans eşiği ile ilişkilidir. Işığın şiddetinin veya maddeye maruz kalma süresinin elektron kopmasında herhangi bir etkisi söz konusu değildir. Einstein’ın keşfine göre ışığın uzay boyunca yayılan bir dalga olmadığı açıklanmıştır.

Işığın hf enerjisine sahip farklı foton demetlerinden oluştuğu tespit edilmiştir. Fotonların hf enerjisi fizik alanında daha önce Max Planck tarafından açıklanan bir buluştur. Einstein fotoelektrik etkiyi Max Planck tarafından yapılan keşif üzerine temellendirmiştir. 

Einstein tarafından fotoemisyon üzerine yapılan en önemli teori ışığın yapısının klasik fizikte belirtilen elektromanyetik yasa ile açıklanamayacağını tespit etmesidir. Böylece, modern fizik alanından yeni gelişmeler yaşanmasının temelini atmıştır. Klasik fizikteki elektromanyetik teori ışığın yapısını dalga ile açıklamıştır.

Elektromanyetik etkinin ışıktan elektrona enerji transferi sağladığı görüşü klasik fizikte hakimdir. Bu nedenle, ışığın dalga boyu ve şiddeti de metalden kopan elektron miktarı üzerinde farklılıklara sebep olur.

Ancak, Einstein tarafından yapılan deneyler, bilimsel çalışmalar bu teorinin yanlış olduğunu, metal maddelerden elektron kopmasının fotoelektrik etki ile açıklanabileceğini kanıtlamıştır. 

Einstein’ın fotoelektrik etki yasası üç temel esasa dayanır:

• Fotoelektronun kinetik enerjisi fotonların frekans değeri ile doğru orantılıdır.
• Işığın şiddetinden bağımsız olarak fotonların frekansı eşik değerinin üzerinde ise metalden elektron kopması meydana gelir.
• Işığın yapısındaki fotonların frekansı eşik değerine erişene kadar metal cisme ne kadar uzun süre, fazla şiddette ışık tutulursa tutulsun elektron kopması gerçekleşmez.

İlginizi Çekebilir

Kuantum Mekaniği Nedir?

Fotoelektrik Etkinin Kullanıldığı Alanlar

Fotoelektrik etki görüntü sensörlerinde, televizyon ve fotoğraf makinelerinde kullanılır. Ayrıca, fotodiyotlar (ışığa duyarlı, yalnızca bir yönde akım geçiren devre elemanı) ve fototransistörlerde (üzerine düşen ışık etkisiyle iletkenliği farklılaşan yarı iletken elektronik devre bileşeni) yaygın kullanıma sahiptir. 

Fotoelektrik etki, kullanıldığı cihazlarda fotonun cisim üzerine düşürülmesi ile valans bandındaki (bir elektronik cihazın çalışması için gereken frekans aralığı) elektronları hareketlendirmesi, böylece elektrik akımı meydana getirmesi esasına göre işler.

Görüntü Sensörleri

Televizyonun ilk modellerinde yer alan video kamera tüplerinde fotoelektrik etkiden yararlanılmıştır. 

TV gibi cihazların modern tiplerinde ise fotoemisif, fotoiletken gibi farklı malzemeler kullanılır. Fotoemisyon etkinin televizyonun icadında önemli bir etkisi olduğu söylenebilir. Görüntü sensörlerinin çalışma prensibi fotoelektron etki esasına dayanır. Fotoğraf makinesi gibi farklı görüntüleme sağlayan cihazlarda da bu etkiden yararlanılır. 

Fototransistörler ve Fotodiyotlar

Işığa duyarlı diyotlar, güneş panelleri ve pillerinin çalışma şeklinde fotoemisyon etkisi görülür. Bu ekipmanlarda az ışık şiddetinde bile foton etkisiyle valans bandında elektron hareketlenmesi meydana gelir. Böylece, bu ekipmanlar elektrik akımı oluşturma etkisine sahip olur. 

Işığa duyarlı diyotlar günlük hayatta duman dedektörü gibi cihazların üretiminde kullanılan ekipmanlardır. Elektronik göz olarak ifade edilen alet, ışığın üzerine düşme şekline göre farklı elektriksel özellikler gösterir. Dedektörün içerisine duman girdiğinde fotosel ışık parçacıkları hazne içerisinde yayılarak alarmı tetikler.

Farklı güvenlik sistemlerinin üretiminde fotoemisyon etkiden yararlanılır. Bu cihazların bir parçası olarak kullanılan fotoseller, fotoelektrik etki aracılığıyla cihazın çalışmasına imkân tanır.

Fototüp

Fotoemisyon etkinin ilk uygulamalarından biri de fototüplerdir. Fototüp, elektrik devresinde anahtar işlevi görür. Fototüp, metal üzerine yeteri eşik frekansına ulaşan foton düştüğünde elektrik akımı oluşturmaya yarar.

Karanlıkta ise fototüp üzerine foton düşmediğinde kapalı devre etkisi oluşturur, ekipmandan akım geçmez. Fototüpler sinema filmlerinde ses kayıtlarının okunmasında, güvenlik alarmı için sensörlerde kullanılabilir. 

Dijital Tarayıcı

Dijital tarayıcılar, metinleri veya görsellerin taranarak bilgisayar, telefon gibi elektronik aletlerin hafızasına kaydedilmesini sağlar. Tarayıcı ile kaydedilen veriler internet üzerinden aktarılabilir veya basılabilir.

Fotokopi makinesi veya yazıcı gibi ekipmanlarda kullanılan dijital tarayıcılar, üzerine yerleştirilen belge, görsel gibi verileri üzerine düşen ışık etkisi ile okur. Dijital tarayıcıların çalışma şeklinde fotoemisyon etkiden bahsedilebilir.

Fotoelektron Spektroskopi Nedir?

Fotoelektron spektroskopi (PES) fotoemisyon etkinin kimya alanında önemli bir uygulaması olarak açıklanabilir. Bu teknik iki farklı çeşitte gerçekleştirilir. Morötesi veya X ışını ile fotoelektron spektroskopi teknikleri kullanılarak maddelerin bağlanma enerjileri, atomların yüzde dağılımları gibi pek çok farklı özellikleri incelenebilir.

Fotoelektron spektroskopi, katı maddelerin yüzeyi veya yüzeye yakın bölgelerindeki elektron yapısını incelemeyi sağlayan bir teknik olarak ifade edilebilir. Atom veya moleküllerin yapısındaki elektronların göreli enerjilerini ölçmek amacıyla kullanılan bir deneysel metottur. 

Deney numuneleri, X-ışını veya ultraviyole ışınlar aracılığıyla yüksek enerjili radyasyona maruz bırakılarak, atomun yapısından ayrılan enerjilerin kinetik enerjisi ölçülür. PES, fotoelektrik etkiyi metal cisimler yerine molekül veya atomlarda uygulamaya dayanır. Bu teknik ile gerçekleştirilen deneysel ölçümlerle oksijen, lityum gibi farklı elementlerin kimyasal yapısı gözlemlenir. 

PES, kimya alanında deneysel metotlarda sıklıkla kullanılan bir tekniktir. Malzemenin atomlarının elektronik seviyeleri hakkında bilgi edinmek için fotoelektron emisyon spektrumu kullanılır. Böylece, malzemenin yapısında bulunan kimyasal elementlerin atomik yapıları, bağlanma enerjileri gibi özellikleri yüksek hassasiyette tanımlanabilir.

X Işını Fotoelektron Spektroskopi

Elektron spektroskopisinde kimyasal analiz için 10- 0.1 nm  dalga boyuna karşılık gelen 100 eV ile 10 keV arasında foton enerjileri olan X ışınları kullanılır. Analiz için maddedeki atomun derin çekirdek seviyelerinde gerçekleştirilir.

Morötesi (Ultraviyole) Fotoelektron Spektroskopi

Elektron spektroskopisinde analiz için 10- 25 nm  dalga boyuna karşılık gelen 10- 50 eV arasında foton enerjileri olan ultraviyole ışınları kullanılır. Valens ve kondisyon bant bölgelerinde uygulanır. 

Peki sizin fotoelektrik etki hakkında fikirleriniz nelerdir? Fotoemisyonun bilim dünyasına katkıları hakkındaki görüş ve yorumlarınızı bizimle paylaşabilirsiniz.