Fotoelektrik Olay Nedir? Formülü ve Einstein Açıklaması

Fotoelektrik olay, "uygun" frekansa sahip ışığın bir metal yüzeyine çarptıktan sonra o metalden elektron koparması olayıdır. Peki, nedir bu "uygun" frekans meselesi? Neden her ışık bu işi beceremez?

Hertz’in Can Sıkıntısı

Yıl 1887. Heinrich Rudolf Hertz, laboratuvarında elektromanyetik dalgalar üzerine çalışırken muhtemelen canı biraz sıkılmıştı. Bir metalin üzerine yüksek frekanslı ultraviyole (UV) ışık gönderdiğinde ilginç bir şey fark etti: Işık tutulan metalde elektrik kıvılcımları daha kolay oluşuyordu. Metale dışarıdan bir elektrik vermemişti, sadece ışık tutmuştu ve metal bir şekilde elektrik yüklenmişti. Hertz bu durumu not etti ama üzerinde çok durmadı. İşte o an, modern fiziğin kurucu babalarından biri olma şansını belki de biraz elinin tersiyle itmiş oldu.

Işık Bir Dalga Mıdır?

Klasik fizikçiler —kimine göre ucubeler— ışığın sadece bir su dalgası gibi davrandığını düşünüyorlardı. Onların mantığına göre:

Işığın parlaklığını (şiddetini) artırırsan, metalin üzerine binen enerji artar.

Enerji artınca da metalden daha fazla ve daha hızlı elektron kopması gerekir.

Ancak deneyler öyle demiyordu. Işığın parlaklığını ne kadar artırırsan artır, eğer ışığın rengi (frekansı) "uygun" değilse metalden tek bir elektron bile kopmuyordu. Klasik fizikçiler bu durumu bir türlü anlamlandıramadılar çünkü eşek gibi ışığın sadece dalga yapısında olduğunu düşünüyorlardı.

## Planck'ın Uydurduğu Einstein'ın Kurtardığı O Teori

Kara cisim ışıması yazımızda bahsettiğimiz o meşhur "kel fizikçimiz" Max Planck, fiziğin tıkandığı bir noktada enerjinin paketler halinde (kuantize) olduğunu öne sürmüştü. Aslında Planck, bu "paket" olayını tamamen matematiksel bir kolaylık olsun diye, tabiri caizse "bir yerlerinden atarak" formüle etmişti. Kendi buluşunun ne kadar devrimsel olduğunun o bile farkında değildi.

Şanslı adam ki, o dönemde İsviçre’de bir patent ofisinde memur olarak çalışan yakın dostu Einstein, bu "atmasyon" fikrin gerçekte evrenin en temel kuralı olduğunu kanıtladı. Einstein dedi ki: " Bu ucube klasik fizikçiler ışığı dalga olarak varsayıyor ama ben değüşük bir adamım o yüzden ışığı parçacık olarak ele alayım. Her bir ışık parçasınada foton diyeyim. Hem zaten kel arkadaşım enerjinin paketler halinde olduğunu söylemişti"

Einstein bu varsayıma ulaşırken Philipp Lenard'ın 1902'deki deney verilerinden güç aldı. Lenard; kopan elektronların enerjisinin ışığın şiddetine (parlaklığına) değil, sadece rengine (frekansına) bağlı olduğunu kanıtlamıştı.

Einstein, Planck’ın hipotezi ile Lenard'ın verilerini harmanladı. Artık elinde nur topu gibi bir model vardı: Işık, her biri $E_{foton} = h \cdot f$enerjisine sahip fotonlardan oluşuyordu. (Burada$h$Planck sabiti, $f$ise frekanstır).

Fotoelektriğin Kilit Noktası: 1 Foton = 1 Elektron

Fotoelektrik olayın en can alıcı noktası şudur: Bir foton, yalnızca bir elektronla etkileşime girer.

Eğer fotonun enerjisi, elektronun metalden kurtulması için gereken "Eşik Enerjisi"nden küçükse, elektron o fotona dönüp bakmaz bile.

Eğer enerji tam yetiyorsa ($E_{foton} \ge \Phi$), etkileşim gerçekleşir ve elektron kopar.

Foton, tüm enerjisini bir kerede elektrona verir ve kendisi yok olur. Elektron, bu enerjinin bir kısmını metalden ayrılmak için kullanır. Geri kalan enerjiyle de metalden olabildiğince hızlı bir şekilde kaçar (Kinetik Enerji).

## Genel Denklem ve Matematiksel Gösterim

Einstein’ın Nobel ödüllü o meşhur denklemini detaylıca inceleyelim:

Genel Mantık:

Matematiksel olarak: $E_{foton} = \Phi + E_{k,max}$

Kel fizikçi Planck, enerjinin $E_{\text{foton}} = h \cdot f$ olduğunu bulmuştu.

Einstein ise formülde frekans için "nu" ($\nu$) harfini kullanmayı tercih etmiştir. Nedenini kimse tam bilmez ama maksat gelenek yerini bulsun, biz de öyle yazalım:$h \cdot \nu = \Phi + E_{k,max}$

Buradan elektronun kaçma hızını (kinetik enerjisini) bulmak istersek:

Velhasıl kelam

Einstein bu buluşu yaptığında henüz genç bir memurdu ve bu çalışması ona yıllar sonra (1921) Nobel Fizik Ödülü'nü kazandırdı. Sanılanın aksine Einstein, Nobel'i İzafiyet Teorisi ile değil, bu "fotonlar elektronları koparır" dediği Fotoelektrik Olay ile almıştır.

Artık biliyoruz ki: Işık hem bir dalga gibi davranır hem de Einstein’ın dediği gibi birer enerji (parçacık) gibi metalin tepesine iner. Eğer frekans uygunsa elektronlar kaçar, frekans yetersizse fotonlar metal üzerinden elektron kopartamaz.