Fotoelektrik etki, elektromanyetik radyasyonu emen bir malzemeden elektronlar yayıldığında ne olduğunu ifade eder. Fizikçi Albert Einstein, etkiyi tam olarak tanımlayan ilk kişi oldu ve çalışması için Nobel Ödülü aldı.
Fotoelektrik etki nedir?
Scientific American'a göre, belirli bir noktanın üzerinde enerjili ışık, elektronları gevşetmek ve katı bir metal yüzeyden kurtarmak için kullanılabilir. Foton adı verilen her ışık parçacığı bir elektronla çarpışır ve enerjisinin bir kısmını elektronu yerinden çıkarmak için kullanır. Fotonun geri kalanının enerjisi, fotoelektron adı verilen ücretsiz negatif yüke aktarılır.
Bunun nasıl çalıştığını anlamak modern fizikte devrim yarattı. Fotoelektrik etkinin uygulamaları bize "elektrikli göz" kapı açıcıları, fotoğrafta kullanılan ışık ölçerler, güneş panelleri ve fotostatik kopyalama getirdi.
Keşif
Einstein'dan önce, etki bilim adamları tarafından gözlemlenmişti, ancak ışığın doğasını tam olarak anlamadıkları için davranışla karıştırıldılar. 1800'lerin sonunda, İskoçya'daki fizikçiler James Clerk Maxwell ve Hollanda'daki Hendrik Lorentz, ışığın bir dalga gibi göründüğünü belirledi. Bu, ışık dalgalarının her türlü dalga için ortak olan (sudaki dalgalar dahil) nasıl etkileşim, kırınım ve saçılma gösterdiğini kanıtlayarak kanıtlanmıştır.
Bu yüzden Einstein'ın 1905'teki argümanı, ışığın parçacıklar kümesi gibi davranabileceği iddiası devrim niteliğindeydi çünkü klasik elektromanyetik radyasyon teorisine uymadı. Diğer bilim adamları teoriyi ondan önce varsaymışlardı, ancak Einstein, fenomenin neden ortaya çıktığı - ve sonuçları hakkında tam olarak ayrıntılı bir ilk.
Örneğin, 1887'de Almanya'dan Heinrich Hertz, fotoelektrik etkiyi ilk gören kişi oldu. David Darling.
Sonra 1899'da İngiltere'de J.J. Thompson, metal bir yüzeye çarpan ultraviyole ışığın elektronların fırlamasına neden olduğunu gösterdi. Fotoelektrik etkinin nicel bir ölçüsü 1902'de Philipp Lenard'ın (Hertz'in eski bir asistanı) çalışmasıyla geldi. Işığın elektriksel özelliklere sahip olduğu açıktı, ama olan şey belirsizdi.
Einstein'a göre, ışık ilk önce kuant ve daha sonra foton adı verilen küçük paketlerden oluşuyor. Kuantranın fotoelektrik etki altında nasıl davrandığı bir düşünce deneyi ile anlaşılabilir. Bir kuyuda bir atomun bağlı elektronu gibi dönen bir mermer hayal edin. Bir foton içeri girdiğinde, mermere (veya elektrona) çarpar ve kuyudan kaçmak için yeterli enerji verir. Bu, hafif metal yüzeylerin davranışını açıklar.
O zamanlar İsviçre'de genç bir patent memuru olan Einstein, 1905'teki fenomeni açıklarken, Nobel Ödülü'nün çalışması için ödüllendirilmesi 16 yıl daha sürdü. Bu, Amerikalı fizikçi Robert Millikan'ın sadece işi doğrulamakla kalmadı, aynı zamanda Einstein'ın sabitlerinden biri ile Planck sabiti arasında da bir ilişki buldu. Son sabit, parçacıkların ve dalgaların atomik dünyada nasıl davrandığını açıklar.
Fotoelektrik etki üzerine erken teorik çalışmalar 1922'de Arthur Compton (X-ışınlarının foton olarak da muamele edilebileceğini ve 1927'de Nobel Ödülü'nü kazanabileceğini gösterdi) ve 1931'de Ralph Howard Fowler ( metal sıcaklıkları ve fotoelektrik akımlar arasındaki ilişki.)
Uygulamalar
Fotoelektrik etkinin açıklaması oldukça teorik görünse de, çalışmasının birçok pratik uygulaması vardır. Britannica birkaç tanesini açıklar:
Fotoelektrik hücreler başlangıçta elektrotları yaymak için bir katot içeren bir vakum tüpü ve ortaya çıkan akımı toplamak için bir anot kullanarak ışığı tespit etmek için kullanıldı. Günümüzde bu "foto tüpler", güneş pilleri ve fiber optik telekomünikasyon gibi uygulamalarda kullanılan yarı iletken tabanlı fotodiyotlara ilerlemiştir.
Fotoçoğaltıcı tüpler foto tüpün bir varyasyonudur, ancak dynodes adı verilen birkaç metal plakaya sahiptirler. Elektronlar, ışık katotlara çarptıktan sonra serbest bırakılır. Daha sonra elektronlar, birinci dynodun üzerine düşer, bu da ikinci dynode üzerine düşen daha fazla elektron salar, daha sonra üçüncü, dördüncü ve daha sonra devam eder. Her dynode akımı güçlendirir; yaklaşık 10 dynodtan sonra akım, fotoçoğaltıcıların tekli fotonları bile algılayabilecek kadar güçlüdür. Bunun örnekleri spektroskopide (örneğin yıldızın kimyasal bileşimleri hakkında daha fazla bilgi edinmek için ışığı farklı dalga boylarına ayıran) ve vücudu inceleyen bilgisayarlı eksenel tomografi (CAT) taramalarında kullanılır.
Fotodiyotların ve fotoçoğaltıcıların diğer uygulamaları şunlardır:
- (eski) televizyon kamera tüpleri veya görüntü yoğunlaştırıcılar dahil görüntüleme teknolojisi;
- nükleer süreçlerin incelenmesi;
- yayılan elektronlarına dayanan malzemeleri kimyasal olarak analiz etmek;
- atomlardaki elektronların farklı enerji durumları arasındaki geçişleri hakkında teorik bilgi vermek.
Ama belki de fotoelektrik etkinin en önemli uygulaması kuantum devrimini başlatmaktı.
Bilimsel amerikalı. Fizikçilerin ışığın doğasını ve atomların yapısını tamamen yeni bir şekilde düşünmelerine yol açtı.
