Klasik Dalga Teorisinin Çöküşü: Fotoelektrik Olay

1800'lü yılların sonuna kadar, ışığın klasik dalga davranışı yaygın olan görüşlerden biriydi. Bununla birlikte, bu klasik dalga davranışına (optik bilimi) uymayan bazı özel durumlar vardı. Işık, üzerine düştüğü metal maddelerde farklı etkiler oluşturabiliyordu. O dönemde Heinrich Hertz tarafından ilk defa gözlenen ve Hertz olayı olarak adlandırılan bu olayda, temiz bir metal yüzeye düşürülen ışık ışınları (elektromanyetik ışınım), yüzeyden elektron koparıyor ve serbest hale geçmesini sağlıyordu. Şekil 1'de görülen ve havasız ortamda bulunan deney düzeneğinde, ışığın düştüğü metal yüzeyle (katot), karşısında bulunan başka bir metal yüzey (anot) arasına potansiyel fark uygulandığında galvanometrede bir akım gözlenmekteydi. Akım için devrede bir döngü tamamlanması gerektiğinden, metal yüzeyler arasındaki elektron transferi, dolayısıyla ışık-madde etkileşimi sonucu ortaya çıkan serbest elektronlar (fotoelektronlar) bulunması gerekiyordu.

fotoelekt2

Şekil 1. Fotoelektrik olay deney düzeneği.

Fotoelektrik olayın gerçekleşebilmesi, ışığı bir dalga olarak kabul eden klasik fiziğe göre mümkün, ancak gözlenen davranışları klasik fizik çerçevesinde açıklamak mümkün değildir. Bilindiği üzere ışığın taşıdığı enerji, şiddetiyle orantılıdır. Bu durumda, elektronların kazanacakları enerjinin ışık şiddetine bağlı olması gerekir, fakat bu olmamaktadır. Peki ışığın frekansı? Burada da klasik fizik çerçevesinde yapılabilecek bir açıklama bulunmamaktadır.

1905'de Einstein tarafından ışığın enerji kuantumu paketlerinden oluştuğu ortaya atılmıştır. Buna göre, frekansı olan bir ışık demeti her biri kadar enerji kuantumu taşıyan fotonlardan oluşur. Yani her bir foton metal yüzeyde soğurulduğunda kadar enerji bırakır. Enerjiyi alan bir elektronun, yüzeyden kopabilmesi için kadar bir enerji (iş fonksiyonu olarak da adlandırılır) gerekir ve kalan enerji de onun kinetik enerjisi olur.

\begin{equation}
\frac{1}{2}mv^2=h\nu-\omega
\end{equation}

Yukarıdaki eşitlikte görüldüğü üzere, sistemin frekans bağımlılığı, diğer bir deyişle eşik frekansının varlığı değeri 'dan küçük olduğunda elektronların kopamayacağının anlaşılmasıyla ortaya çıkar. Evet ışık bir dalga değil; fotonlar topluluğudur. Ancak bununla birlikte, girişim ve kırınım olaylarının açıklanabilmesi için, dalga karakteristiği gerektiğinden, yine dalga-parçacık ikileminin, bu çelişkiyi ortadan kaldırdığı görülür. Işık da bazı olaylarda dalga, bazılarında parçacık gibi davranır. Tek bir olay, aynı anda iki karakteri birden gösteremez. Einstein, Nobel ödülü alan çalışmasında, ışığın kadar enerjiye sahip fotonlardan oluştuğunu göstermiştir.

Emir Haliki

Kaynaklar
1. Einstein A., The photoelectric effect, Ann. Phys., 1905
2. http://www.lisefizik.com/lise4/fotoelektrik.htm
3. http://surfaceanalysis.group.shef.ac.uk/xps.html

Emir Haliki

Ege Üniversitesi Fen Fakültesi - Fizik Bölümünde Doktora Sonrası Araştırmacı. Karmaşık sistemler, genetik düzenlenme mekanizmaları ve ağ analizleri çalışma alanı. Aynı zamanda matematik, sayısal çözümleme, biyoloji ve astronomi de ilgi alanları. Bunların yanında zaman zaman amatör olarak gözlemsel astronomi, doğa yürüyüşleri, oyun motorları tasarımları ile ilgileniyor.

Emir Haliki 19 makale yazdıEmir Haliki tarafından yazılan tüm makaleleri gör