m

Elinizde bir lamba, kablo, bir metal ve bu metale uygun bir ışık varsa, elektrikler kesildiğinde muma ihtiyacınız yoktur. Keza odanızı aydınlatacak şey mumu yakmak değil, fizik bilgisidir.

Fotoelektrik olay, “uygun” frekansa sahip ışığın bir metale çarptıktan sonra o metalden elektron koparmasıdır. “Uygun frekans” kısmını yazının ilerleyen bölümlerinde detaylıca inceleyeceğiz.

1887 yılında Heinrich Rudolf Hertz’in canı sıkılmış olacak ki, bir metalin üzerine yüksek frekanslı ışık tutmuş. Can sıkıntısı geçtikten sonra metale dokunduğunda elektrik çarpılmış. İlginç olan şu: Metale elektrik vermemişti, sadece ışık tutmuştu ama metal elektriklenmişti. Bu durum dikkatini çekti.

Daha sonra deney düzeneğini geliştirerek ışığın şiddetini artırdı. Klasik fizikçilere göre ışık, su dalgaları gibi davrandığından, ışığın parlaklığı artırılırsa metalin otomatik olarak daha fazla elektrikleneceği düşünülüyordu. Deneyi test ettiğinde ise ışığın parlaklığını ne kadar artırırsa artırsın, metalin aynı miktarda elektriklendiğini fark etti. Bu durumu anlamlandıramadı ve pek de önemsemedi. Önemsememesinin bedeli ağır oldu: Modern fiziğin kurucu babaları arasında yer alamadı.

Kara cisim yazımızda, kel fizikçimiz Planck’ın, enerjinin paketler hâlinde olduğunu öne sürdüğünü ve bu fikri tamamen matematiksel kolaylık sağlamak için “bir yerlerinden uydurduğunu” anlatmıştık. Şansı yaver gitmiş olacak ki, yakın dostu Einstein, bu önermenin gerçekten doğru olduğunu gösterdi.

Elimizde bir metal ve yüksek frekanslı bir ışık olduğunu düşünelim. Işık metale çarpıyor ve metal bir anda elektrikleniyor. Bildiğiniz gibi metaller elektron verme eğilimindedir. Metalden bir elektron koparırsak, metal pozitif yüklü hâle gelir; yani elektriklenir.

Einstein, Planck’ın bu hipotezinden yola çıkarak şöyle dedi:

“Ben bu işi bir tık ileri taşıyayım. Işık da paketler hâlinde olsun ve bu paketlerin her birine foton diyelim.”

Eğer bir foton, metaldeki gariban elektronu yerinden oynatacak kadar enerjiye sahipse, tüm enerjisini elektrona verir ve onu metalden koparır. Ama fotonun enerjisi yeterli değilse… hiçbir cacık olmaz.

Einstein bu sonuca, Philipp Lenard’ın 1902’de yaptığı deneylerin verilerini kullanarak ulaştı. Lenard, kopan elektronların enerjisinin ışığın şiddetine değil, yalnızca rengine (frekansına) bağlı olduğunu göstermişti. Işığın renge göre nasıl enerji taşıdığını kara cisim yazımızda anlatmıştık. Lenard’ın deney verileri Planck’ın hipoteziyle harmanlanınca, ortaya nur topu gibi fotoelektrik olay çıktı.

Einstein bu buluşu İsviçre’de patent ofisinde çalışırken yaptı. O zaman bunun farkında değildi ama ilerleyen yıllarda bu keşif ona Nobel Ödülü’nü kazandıracaktı.

FOTOELEKTRİK OLAYA DAHA DETAYLI BAKALIM

Fotoelektrik olayın en kilit noktası şudur:

Bir foton yalnızca bir elektronla etkileşime girer.

Eğer fotonun enerjisi elektronu koparmaya yetecek kadar büyükse:

E_{\text{foton}} \ge \Phi

Burada:

• E_{\text{foton}}: Foton enerjisi

• \Phi: Elektronu koparmak için gereken minimum enerji (eşik enerji)

Bu şart sağlanırsa etkileşim gerçekleşir ve elektron metalden kopar.

Foton, tüm enerjisini elektrona verir ve yok olur. Elektron, bu enerjinin bir kısmını metalden ayrılmak için kullanır. Geri kalan enerji ise elektrona kinetik enerji olarak kalır.

GENEL DENKLEM

h \cdot f = \Phi + E_{k,\text{max}}

FORMÜLÜ PARÇALAYALIM

• h \cdot f (fotonun enerjisi):

  Işığın frekansı arttıkça foton daha enerjik olur.

• \Phi (eşik enerji):

  Elektronu metalden koparmak için gereken minimum enerji.

• E_{k,\text{max}} (maksimum kinetik enerji):

  Kopan elektronun metalden kaçarken sahip olduğu en büyük hız/enerji.