Fotoelektrik Olayı

İlk defa 1887’de h Hertz tarafından gözlenmiş olan fotoelektrik olayın daha sonra yapılan hassas deneylerle de saptanan önemli özellikleri aşağıdaki gibi sıralanabilir.

* Metal yüzeyler ışık ile aydınlatıldıkları zaman elektron yayabilirler fakat pozitif iyonlar yayamazlar.
* Metal yüzeylerin bu şekilde elektron yayıp yayamayacakları gönderilen ışığın frekansına bağlıdır. Metalden metale değişen bir frekans eşiği vardır ve ancak frekansı bu eşik değerden büyük olan ışık bir fotoelektrik akım oluşturur.
* Fotoakım oluştuktan kısa süre sonra kararlı değerine ulaşarak büyüklüğü ışığın şiddeti ile doğru orantılı olarak artar.
* Fotoelektronların kinetik enerjisi ışık kaynağının şiddetinden bağımsız olup gelen ışığın frekansı ile doğru orantılı olarak artar.

Fotoelektrik olayın varlığı klasik elektromagnetik teori ile anlaşılabilir, çünkü metallerin elektron içerdikleri o zamanlar bilinmekte idi ve bunlar ışık soğurumu ile ivmelendirilerek metalden koparılabilirler. Işık bir elektromagnetik dalgadır ve ışığın elektrik alanı elektrona e.E/m ivmesini kazandırır. Fakat yukarıda değinilen şiddet ve frekans bağımlılıkları klasik teori çerçevesinde kalınarak açıklanamaz. Işığın şiddeti ε2 nin zaman ortalaması ile orantılıdır. Şiddetin artması ε2 nin ve dolayısı ile elektronların ivmesinin artması demektir. Bu ise sökülen fotoelektronların kinetik enerjisini artırır. Üstelik bunun frekans ile ilişkisi yoktur. Bu klasik sonuçlar ise gözlemlerle çelişmektedir.

Olayın doğru açıklaması, Planck varsayımını, ışık h.υ enerjili fotonlardan (enerji kuantumlarından) oluşur şeklinde ele alan A.Einstein tarafından 1905’te yapıldı. Bir fotonun soğurulması, bir elektronun enerjisini h.υ kadar arttırır. Bunun W kadarlık kısmı elektronu metalden ayırmaya harcanmalıdır. W ’ya metalin iş fonksiyonu denir ve bu metalden metale değişir. h.υ< font>h.υ>W ise söküm olacak ve geriye kalan h.υ-W enerjisi ise elektronun kinetik enerjisi halinde kendini gösterecektir. Enerji korunumunun uygulanması, 1/2.m.v2=h.υ-W şeklinde elektronun kinetik enerjisi ile ışığın υ frekansı arasındaki çizgisel bağımlılığı çok basit bir şekilde açıklar. Bu bağıntı υ0=W/h şeklinde υ0 eşik frekansı ile iş fonksiyonu W arasındaki bağımlılığı da verir.

Fotoelektronların kinetik enerjisinin ışığın υ frekansına göre değişimi.
Doğrunun uzantısının kinetik enerji eksenini kestiği nokta W iş fonksiyonunu verir.
Doğrunun eğimi de h sabitini verir.

Fotoelektrik akımın ışık şiddetine bağımlılığı da foton düşüncesi kullanılarak basitçe açıklanabilir. Daha büyük ışık şiddeti, daha fazla sayıda foton ve bu da daha fazla elektron yani daha büyük bir fotoakım demektir.