Fotoelektrik etkisi

Fotoelektrik etki ya da fotoemisyon, ışık bir maddeyi aydınlattığında elektronların ya da diğer serbest taşıyıcıların ortaya çıkmasıdır. Bu bağlamda ortaya çıkan elektronlar, fotoelektronlar olarak adlandırılır. Bu olay genellikle elektronik fiziğinde hatta kuantum kimyası ya da elektrokimya gibi alanlarda çalışılır.

Klasik elektromanyetik teoriye göre, bu etki ışıktan bir elektrona enerji transferi olarak adlandırılır. Bu açıdan bakıldığında, ışığın şiddeti veya dalgaboyundaki değişim metalden elektron yayılma oranı değişimine neden olur. Ayrıca, bu teoriye göre yeterince loş ışığın, ilk ışıma ve bir elektronun yeterince yayılması arasında geçen süreyi göstermesi beklenir. Fakat, deney sonuçları klasik teoriye göre yapılan iki tahminden herhangi biriyle ilişkilendirilemez.

Bunun yerine, fotonlar eşik frekansa ulaştıklarında ya da eşik frekansı aştıklarında sadece elektronlar fotonların çarpışmasıyla yerinden oynar. Bu eşik değerin altında ise, ışık şiddeti ve ışık maruziyet süresinden bağımsız olarak metalden hiçbir elektron yayılmaz. Şiddet düşük olsa bile ışığın elektron fırlatmasının anlamlı olup olmadığı konusunda, Albert Einstein ışık hüzmesinin uzay boyunca yayılan bir dalga olmadığını öne sürmüştür, bunların her birinin hf enerjisine sahip ayrı dalga paketleri yani fotonların toplamı olduğunu söylemiştir. Max Planck’ın önceki keşfi Planck ilişkisi (E = hf) enerji (E) ve frekansın (f) enerjinin nicelenmesinden geldiği konusunu aydınlatmıştır. h faktörü Planck sabiti olarak bilinir.

1887 yılında Heinrich Hertz ultraviyole ışığıyla daha kolay aydınlanan elektrik kıvılcımlarını keşfetti. 1905 yılında Albert Einstein içinde enerji olan ayrı paketlerde taşınan ışık enerjisinin bir sonucu olarak fotoelektrik etkiden deneysel veriyi açıklayan bir makale yayımlamıştır. 1914 yılında Robert Millikan’ın deneyi Einstein’ın fotoelektrik etkisi üzerindeki yasasını onayladı. Einstein 1921 yılında “fotoelektrik etki yasasının keşfi” için ve Millikan ise 1923 yılında “temel elektrik yükü ve fotoelektrik etki” çalışmasıyla Nobel Ödüllerini aldılar.

Fotoelektrik etkisi, yüksek atom numarasına sahip elementlerdeki çekirdek elektronları için enerjileri sıfırdan (negatif elektron yatkınlığı durumunda) 1MeV'ye yaklaşan fotonları gerektirir. Tipik metallerden taşıyıcı elektronların ışıması genellikle kısa dalgaboyunda görünür ışık veya ultraviyole ışığına bağlı olarak, birkaç elektron-volt gerektirir. Fotoelektrik etki çalışması, ışık ve elektronların kuantum doğasını anlamak için önemli adımlara sahiptir ve dalga-parçaçık ikilik konseptinin oluşumunu etkilemiştir. Işığın elektrik yüklerinin hareketini etkileyen diğer olayı fotoiletken etkiyi, fotoelektrik etkisini ve fotoelektrokimyasal etkiyi içerir.

Fotoemisyon (ışılyayım) herhangi bir maddeden oluşabilir, fakat en kolay gözlenebilirliği olan maddeler metaller ve diğer iletkenlerdir. Çünkü işlem yük dengesizliği doğurur ve eğer yük dengesizliği akım debisi tarafından nötralize edilmezse; yayılım için potansiyel bariyer, emisyon akımı durana kadar artar. Hatta bir vakum içinde ışıma yüzeyine sahip olmak normaldir, çünkü gazlar fotoelektronların akışını engeller ve gözlemlenmesi zor bir hale getirir. Buna ek olarak, fotoemisyon için enerji bariyeri eğer metal oksijene maruz bırakılırsa, genellikle metal yüzeyindeki ince oksit tabakalarla birlikte artar. Bu yüzden fotoelektrik etkiye dayanan en pratik deneyler ve araçlar bir vakum içindeki temiz metal yüzeyleri kullanır.

Fotoelektron bir vakum yerine bir katıya ışıma yaptıysa, terim olarak dahili fotoemisyon kullanılır ve bir vakum içine ışıma ise harici fotoemisyon olarak adlandırılır.

Işıma mekanizması

Bir ışık demeti fotonları ışığın frekansıyla doğru orantılı karakteristik bir enerjiye sahiptir. Fotoemisyon işleminde, eğer bazı maddelerdeki bir elektron bir fotonun enerjisini emer ve maddenin iş fonksiyonundan daha fazla enerji gerektirirse, o elektron dışarı fırlatılır. Eğer fotonun enerjisi çok düşükse, elektron maddeden kaçamaz. Çünkü düşük frekanslı ışığın şiddetindeki artma sadece belli bir zaman aralığında gönderilen düşük enerjili foton sayısını arttırır. Şiddetteki bu değişim bir elektronu yerinden çıkarmak için yeterli enerjili herhangi bir tek foton yaratmayacaktır. Bu yüzden, ışınan elektronların enerjisi gelen ışık şiddetine bağlı değildir, sadece tek başına fotonun enerjisine bağlıdır. Bu etkileşim gelen foton ve dış çeperdeki elektronlar arasındadır. Radyasyonla uyarıldıklarında elektronlar fotonlardan enerji emerler, ancak genellikle “ya hep ya hiç” kuralını izlerler. Bir fotondan alınan tüm enerji emilmeli ve atom bağından ya da tekrar yayılan enerjiden bir elekton salmak için kullanılmalıdır. Eğer foton enerjisi emilirse, enerjinin birazı atomdan elektronu serbest bırakır ve geri kalanlar serbest parçacık olarak elektronun kinetik enerjisine aktarılır.

Fotoelektrik ışımanın deneysel gözlemleri

Fotoelektrik etki teorisi, aydınlatılmış bir metal yüzeyinden elektron salınımının deneysel gözlemlerini açıklamalıdır. Verilen bir metal için, hiçbir fotoelektronun salınmadığı gelen ışımanın belli bir minimum frekansı vardır. Bu frekans eşik frekansı olarak adlandırılır. Gelen hüzmenin frekansını artırmak, gelen foton sayısını sabit tutmak (aynı zamanda bu orantılı olarak enerji artışıdır); salınan fotoelektronların maksimum kinetik enerjisini arttırır. Böylece duran voltaj artar. Elektron sayısı da değişir, her protonun yayılan bir elektronun sonucu olduğu olasılığı foton enerjisinin bir fonksiyonudur. Eğer verilen bir frekansın gelen ışımasının şiddeti arttırılırsa, her fotoelektronun kinetik enerjisinde hiçbir etki görülmez. Eşik frekasın yukarısında, yayılan fotoelektronun maksimum kinetik enerjisi gelen ışığın frekansına bağlıdır, ancak şiddet çok yüksek olmadığı sürece gelen ışığın şiddetinden bağımsızdır. Verilen bir metal ve gelen ışımanın frekansı için, fotoelektronların salınma oranı direkt olarak gelen ışığın şiddetiyle doğru orantılıdır. Gelen ışık hüzmesinin şiddetindeki artma (frekans sabit tutularak) duran voltaj aynı kalmasına rağmen, fotoelektrik akımın büyüklüğünü arttırır. Gelen ışıma ve fotoelektron yayılması arasında geçen süre çok küçüktür, 10⁻⁹ saniyeden küçüktür. Eğer gelen ışık doğrusal olarak kutuplaşıyorsa, yayılan elektronların dağılım yönü gelen ışığın kutuplaştığı yönünde tepe noktasına ulaşır.

Matematiksel tanım

Salınan elektronun maksimum kinetik enerjisi aşağıdaki gibi verilir:

$K_{\max }=h\,f-\varphi ,$ Planck sabitidir ve gelen fotonun frekansıdır. iş fonksiyonudur (bazen ya da olarak da gösterilir^[11]) ve metalin yüzeyinden dağılan bir elektronu koparmak için gerekli olan minimum enerjidir. İş fonksiyonu aşağıdaki gibidir;
$\varphi =h\,f_{0},$ metal için eşik frekansıdır. Koparılan bir elektronun maksimum enerjisi şudur:
$K_{\max }=h\left(f-f_{0}\right).$

Durdurma potansiyeli

Akım ve uygulanan voltaj arasındaki ilişki fotoelektrik etkinin doğasını gösterir. Tartışmak için, bir ışık kaynağı P plakasını aydınlatır ve diğer plaka elektrodu Q koparılan elektronları toplar. P ve Q arasındaki potansiyeli değiştirebiliriz ve iki plaka arasında harici devredeki akım debisini ölçebiliriz. İş fonksiyonu ve kesilme frekansı Eğer gelen ışımanın frekansı ve şiddeti sabit tutulursa, tüm yayılmış fotoelektronlar toplanana kadar fotoelektrik akımı yavaş yavaş toplayıcı elektrodun pozitif potansiyelinde artmaya başlar. Fotoelektrik akımı bir doygunluğa ulaşır ve pozitif potansiyeldeki herhangi bir yükseliş için daha fazla artamaz. Doygunluk akımı ışık şiddetinin artmasıyla birlikte artar. Hatta çarpışmalar yüksek enerjili fotonlarla olduğunda elektron ışımasının yüksek olasılığından dolayı doygunluk akımı yine artacaktır. Eğer biz plaka P'ye göre Q plakasına negatif bir potansiyel uygularsak ve yavaş yavaş arttırırsak, fotoelektrik akımı azalır, belli bir negatif potansiyelde de sıfır olur. Fotoelektrik akımın toplayıcıda sıfır olmaya başladığı negatif potansiyel durdurma potansiyeli ya da kesilme potansiyeli olarak adlandırılır. i. Gelen ışımanın verilen bir frekansı için, durdurma potansiyeli şiddetten bağımsızdır. ii. Gelen ışımanın verilen bir frekansı için, durdurma potansiyeli yayılan foto elektronların maksimum kinetik enerjisiyle belirlenir. Eğer q_e elektrondaki yük ve durdurma potansiyeli ise, elektron durdurma potansiyeli tarafından yapılan iş, bu yüzden şu an sahip oluruz

$q_{e}V_{0}=K_{\max }.$ Durdurma voltajı ışık frekansıyla doğrusal olarak değişir, fakat
$K_{\max }=h\left(f-f_{0}\right),$ maddenin türüne bağlıdır. Herhangi özel bir madde için, ışık şiddetinden bağımsız olarak elektron ışımasını gözlemek için eşik frekans aşılmalıdır.

3 adımlı model

Röntgen sisteminde, kristal maddedeki fotoelektrik etki genellikle üç adıma ayrışır: 1. İç fotoelektrik etki (aşağıda fotodiodu görebilirsiniz). Sol arka delik, maddeden elektron ayrılmadığında görülen Auger etkisine neden olur. Moleküler katı fononlar bu adımda uyarılır ve son elektron enerjisinde çizgiler halinde görünür olabilirler. Iç fotoelektrik etki kutuplaşmaya izin verir. Atomlar için geçiş kuralları, sıkı-bağ modeli ile kristale dönüşür. Çapraz olması gereken plazma salınımlarındaki geomertiyle aynıdır.

1. Elektronların yarısının yüzeye balistik ulaşımı. Bazı elektronlar saçılır.
2. Maddenin yüzeyinden elektronların kaçışı. Üç adımlı modelde, bir elektron bu üç adım boyunca birçok yol izleyebilir. Tüm yollar, yol integral formülüne karışabilir. Yüzey durumları ve moleküller için; üç adımlı model, ayrılan bir elektronun yansıttığı birden fazla elektrona sahip atomlarda bile bir anlam taşımaz.

Tarihçe

Bir yüzey kesin bir eşik frekansını (tipik olarak alkali metaller için görünür ışık, diğer metaller için ultraviyole yakını ve ametaller için en uç ultraviyole) aşan elektromanyetik ışımaya maruz bırakıldığında, ışıma emilir ve elektronlar yayılır. Işık ve özellikle ultraviyole ışığı, katot ışıkları ile aynı doğaya sahip ışınların üretimiyle negatif elektriklenmiş kütleleri boşaltır. Belli durumlarda, direkt olarak gazları iyonlaştırır. Bu olayların ilki Hertz ve Hallwachs tarafından 1887 yılında keşfedildi. İkincisi ise 1900 yılında Philipp Lenard tarafından duyuruldu. Bu etkileri üreten ultraviyole bir ark lambasından, yanan magnezyumdan, çinko ve kadmiyum kutupları arasında endüksiyon bobinlerinin kıvılcımıyla ya da ultra viyole ışınlarınca zengin ışıklardan elde edilebilir. Güneş ışığı ultraviyole ışınlar açısından zengin değildir, atmosfer tarafından emilirler ve ark ışıkları gibi çok büyük bir etki yaratmazlar. Metallerin yanındaki birçok madde ultraviyole ışığı hareketi ile negatif elektriği boşaltır.

19.yy

1839 yılında, Alexandre Edmond Becquerel elektrolit hücrelerde ışığın etkisini araştırırken fotovoltaik etkiyi keşfetti. Fotoelektrik etkiyle aynı olmamasına rağmen fotovoltaikler üzerine çalışması maddenin deneysel olarak ışık ve elektronik özellikleri arasındaki güçlü ilişkiyi göstermiştir. 1873 yılında, Willoughby Smith Selenyum'daki fotoiletkenliği keşfetti, denizaltı telegrafları çalışmasında metallerin yüksek direnç özelliklerini test etmiştir. Heidelberg'de öğrenci olan Johann Elster (1854–1920) ve Hans Geitel (1855–1923) ışığın şiddetini ölçmek için kullanılan ilk pratik fotoelektrik hücrelerini geliştirdiler. Elster ve Geitel elektriklendirilmiş kütlelerdeki ışık tarafından üretilen etkileri keşfettiler. 1887 yılında, Heinrich Hertz fotoelektrik etkiyi, elektromanyetik dalgaların üretimi ve alımını gözlemledi. Aynı zamanda bu gözlemler Annalen der Physik ‘de de yayımlandı. Alıcı kıvılcım aralığıyla bir bobin içeriyordu, kıvılcım elektromanyetik dalgaların belirlenmesinde görüldü. Kıvılcımı daha iyi görmek için karanlık bir kutuya aparatlar yerleştirdi. Fakat, kutuda maksimum kıvılcım boyunun düştüğünü gördü. Elektronların karşı aralığa atlaması için elektromanyetik dalgalar ve ultraviyole ışınları arasına cam bir panel yerleştirdi. Panel yerinden kaldırıldığında kıvılcım boyu arttı. Cam paneli kuarz ile değiştirdiğinde, kuarz UV ışımasını emmediği için kıvılcım boyu düştü. Hertz aylarını bu araştırmaya harcadı ve gözlemlediği sonuçları raporladı. Daha sonra bu etkiyle ilgili araştırmalarına devam etmedi. 1887 yılında Hertz tarafında keşfedilen kıvılcım geçişini kolaylaştıran kıvılcım aralığında ultraviyole ışınlarına rastlanılması Hallwachs,^[24] Hoor,^[25] Righi^[26] ve Stoletow ışığın ve özellikle ultraviyole ışınlarının yüklenmiş kütleler üzerindeki etki araştırmalarını hızlandırdı. Yeni temizlenmiş çinko yüzeylerindeki araştırmalar onaylanmıştır. Ultraviyole ışık yüzeye düştüğünde eğer negatif elektrikle yüklüyse küçük bile olsa bu yükünü kaybeder. Eğer yüzey başlangıçta yüksüzse ışığa maruz bırakıldığında pozitif olur. Pozitif elektriklendirme yüzeye karşı güçlü bir havalı atomizer tarafından arttırılabilir, metal çevrelendiğinde negatif elektriklendirme gaza geçer. Eğer çinko yüzey pozitif olarak elektriklendirilirse, ışığa maruz kaldığında yük kaynı olmaz: bu sonuç sorgulanmıştır, ama bu olayın Elster ve Geitel tarafından dikkatli bir incelemesi bu şartlar altında gözlenen kaybı göstermiştir. Bu durum pozitif yük tarafından uyarılmış komşu iletkenlerdeki negatif elektriklendirilmiş çinko yüzeyden yansıyan ışık tarafından boşaltılmasından kaynaklanır. Elektrik alanı etkisindeki negatif elektrik pozitif elektriklendirilmiş yüzeye doğru hareket eder. Hertz etkisi göz önüne alındığında, ilk araştırmacılar fotoelektrik yorgunluk olayının muhteşem karmaşasını göstermiştir – bu durum metalik yüzeylerde gözlenen ilerici küçülme etkisidir. Önemli araştırmacı Wilhelm Hallwachs'a göre, bu olayda ozon önemli bir rol oynamaktadır. Fakat diğer elemanlar oksidasyon, nem oranı, yüzeyin parlak olması gibi elemanlardır. Vacumda metal yorulmasının olup olmamasından emin olunmadığı bir zamandır. 1888 Şubat ayından 1891 yılına kadarki periyotta, ayrıntılı bir fotoetki analizi Aleksandr Stoletov tarafından sonuçlarıyla birlikte 6 ay içinde yayınlanmıştır, dört tanesi Comptes Rendus‘da, bir özeti Physikalische Revue’da (Rusça’dan tercüme edilmiştir) ve son çalışması da Journal de Physique ‘da. Ilk önce, Stoletov’un keşfettiği yeni bir deneysel kurulum fotoelektrik etkinin nicelik analizinin daha uygun olduğuydu. Bu kurulumu kullanan Stoletov ışık şiddeti ve uyarılmış foto elektrik akımı arasındaki direkt oranı buldu (fotoetkinin ilk kanunu ya da Stoletov’un kanunu). Diğer bulgularından biri de gaz basıncında elektrik foto akımının şiddetine bağlı olan ölçümlerdi, maksimum fotoakımına bağlı bir optimum gaz basıncının P_m varlığını bulmuştur; bu özellik Güneş’e ait hücrelerin oluşumunda kullanılmıştır. 1899’da J.J.Thomson Crookes tüplerindeki ultraviyole ışınlarını araştırdı. Thomson katot ışınlarında bulunan parçacıklar ve fırlatılan parçacıkların aynı olduğunu göstermiştir, daha sonra bu elektronlara “corpuscles” adı verilir. Bu araştırmalarda, Thomson vakum tüpe metal bir plaka yerleştirdi ve yüksek frekanslı ışımaya maruz bırakıldı. Salınımlı elektromanyetik alanların, belli bir genliğe ulaştıktan sonra atom alanlarında rezonans ürettiklerine neden oldukları düşünülüyordu. Böylece fırlatılan atomaltı "corpuscle”ler ve keşfedilmesi gereken akımlar ortaya çıkıyordu. Bu akım miktarı şiddet ve ışımanın rengiyle değişmekteydi. Büyük ışıma şiddeti veya frekans daha fazla akım üretiyordu.

20.yy

Ultraviyole ışığıyla iyonlaşan gazların keşfi 1900 yılında Philipp Lenard tarafından yapılmıştır. Etki havanın yedi santimetre ötesinde üretildi ve çok büyük pozitif ile çok küçük negatif iyonlar oluştu, olayı J. J. Thomson'un yaptığı gibi bir katı veya gaz içindeki sıvı parçacıkları üzerindeki Hertz etkisi olarak yorumlamak doğaldır. 1902 yılında, Lenard ışığın frekansı ile tek tek yayılan elektron enerjisinin arttığını gözlemlemiştir. Bu durum elektron enerjisinin ışıma şiddetiyle doğrusal olduğunu öne süren Maxwell'in ışık dalga teorisine aykırı gibi görünüyordu. Lenard güçlü bir elektrik ark lambası kullanarak ışık frekansı ile elektron enerjisinin değişimini gözlemledi. Böylece şiddetteki büyük değişimleri inceleyebildi ve ışık frekansı ile potansiyel değişimi incelemeye olanak veren güce sahipti. Deneyi direkt olarak ölçülen potansiyellerle ilgiliydi, elektronun kinetik enerjisiyle ilgili değil: fototüpte maksimum durdurma enerjisi (voltaj) ile ilgili elektron enerjisini buldu. Hesaplanan maksimum kinetik enerjinin ışığın frekansı ile belirlendiğini buldu. Örneğin, bir elektronun serbest kalması için frekanstaki artma hesaplanan maksimum kinetik enerjiyi arttırır – ultraviyole ışıması mavi ışık yerine bir fototüpte akımı durdurmak için daha yüksek uygulanan durdurma potansiyeli gerektirir. Ancak Lenard'ın sonuçları nicelikten ziyade niteliğe dayanıyordu, çünkü deneylerin uygulanması zordu: saf metalin gözlenebilmesi için her seferinde yeni kesilmiş bir metal ile deneylerin yapılması gerekiyordu, fakat kullandığı kısmi vakumlar içinde metal birkaç dakikada oksitleniyordu. Yüzey tarafından salınan akım, ışık şiddeti veya parlaklığı ile belirlendi: ışık şiddetini iki katına çıkardığında yüzeyden yayılan elektronlar da iki katına çıkıyordu. Araştırmacılar Langevin ve Eugene Bloch, Lenard etkisinin çok büyük bir kısmının Hertz etkisinden varolduğunu gösterdiler. Gaz üzerindeki Lenard etkisi buna rağmen oluşmuyordu. J.J. Thomson ve daha sonra Frederic Palmer Jr. tarafından tekrar bulunan ve çalışılan araştırmaya göre, ilk önce Lenard tarafından atfedilen birçok farklı karakter özelliği gösterildi. Einstein, 1905'te, Annus Mirabilis makalelerini yazarken 1905 yılında Albert Einstein, daimi dalgalar yerine şu an foton adı verilen ışığı tanımlayan ayrı niceliklerin yarattığı bu parakdosu çözdü. Max Planck'ın kara cisim ışıması teorisine göre, Einstein her kuantum ışık enerjisinin, frekans ve daha sonra Planck sabiti denilecek bir sabitin çarpılmasıyla aynı sonucu verdiği teorisini oluşturdu. Eşik frekansın üzerindeki bir foton gözlem etkisi oluşturarak tek bir atomu koparacak enerjiye sahiptir. Bu gözlem fizikte kuantum devrimine ve 1921 yılında Einstein'ın Nobel Fizik ödülü kazanmasına neden olmuştur. Dalga-parçacık ikili etkisi dalga konseptine uzak bir şekilde analiz edilmiştir. Einstein'ın fotoelektrik etkiyi nasıl açıkladığına dair matematiksel tanımı 1905 yılındaki "On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light" isimli makalelerinden birinde ışık miktarının emiliminden olduğunu göstermiştir. Bu makale “ışık miktarı” veya fotonların basit bir tanımını içeriyordu ve bu tanımın fotoelektrik etki ile birlikte nasıl açıklandığı gösterilmiştir. Işığın ayrı niceliklerdeki emiliminin basit açıklaması bu olayı ve frekansı karakterize ediyordu. Işık miktarı fikri Max Planck'ın kara cisim ışıması kanununu ("On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum"^[51]) yayınladığını makalesi ile başladı. Sadece E enerjisinin osilatör frekansı f ile doğru orantılı olduğunu gösteren E = hf, Hertzian salınımlarınımda var olduğunu varsaymıştır (h Planck sabitidir). Işığın aslında ayrı enerji paketlerinden oluştuğunu öne süren Einstein deneysel sonuçlarla uyuşan fotoelektrik etki içinde bir denklem yazmıştır. Fotoelektrik etkinin neden şiddete değil de sadece gelen ışığın frekansına bağlı olduğunu açıklamıştır: düşük şiddet, yüksek frekans kaynağı birkaç yüksek enerji fotonu sağlayabilir; yüksek şiddet, düşük frekanslı kaynak hiçbir elektronun yerinden çıkmaması için yeterli bireysel enerjili foton sağlayamaz. Bu önemli bir teorik atılımdı, ancak konsept ilk önce tamamen reddedildi çünkü fiziksel sistemlerde enerjinin sonsuz bölünebilirliği varsayımına dayanan elektromanyetik davranışlarla ilgili Maxwell'in denklemlerini izleyen ışığın dalga teorisi ile çelişiyordu. Deneylerden sonra bile Einstein'ın fotoelektrik etkisi denklemlerinin doğru olduğu gösterildi, fotonlar hakkındaki bu fikir daha önceden kabul edilmiş ve onaylanmış Maxwell denklemleri ile çeliştiği için reddedilmeye devam etti. R. Millikan (1923), Einstein'ın fotoelektrik etkisi hakkındaki varsayımlarının doğru olduğunu deneysel olarak gösteren ilk bilim adamı. Einstein'ın çalışması tek tek çıkarılan elektronların enerjisinin ışığın frekansı ile doğrusal olarak arttığını öne sürdü. Muhtemelen sürpriz bir şekilde, bu süre boyunca aralarındaki ilişki tam olarak test edilmemişti. 1905 yılında fotoelektronların enerjisinin gelen ışığın frekansı ile arttığı biliniyordu ve ışığın şiddetinden bağımsızdı. Fakat, artma miktarı 1914 yılına kadar tam deneysel olarak açıklanamamıştı. Millikan ise Einstein'ın varsayımlarının doğru olduğunu gösterdi. Fotoelektrik etki ışığın doğasında olan dalga-parçacık konseptinin açıklanmasına yardımcı oldu. Işık aynı anda duruma göre hem dalga hem parçacık özelliklerine sahip olabiliyordu. Bu etkiyi ışığın klasik dalga tanımı ile anlamak imkânsızdı, salınan elektronların enerjisi gelen ışığın şiddetine bağlı değildi. Klasik teori elektronların belli bir zaman enerjiyi topladığını ve sonrasında da yaydığını öne sürüyordu.

Kullanımları ve etkileri

Işılçoğaltıcılar

Bunlar ışığa çok hassas vakum tüplerdir, zarf gibi bir plakanın iç kısmı (yanı veya sonu) fotokatotla kaplanmıştır. Fotokatot Sezyum, Rubidyum ve Antimon gibi malzemelerin birleşiminden oluşur, düşük iş fonksiyonlarına sahiptirler; bu yüzden çok düşük seviyelerde ışık ile aydınlandıklarında bile fotokatot hemen elektronları salar. Daha yüksek potansiyellerdeki elektrotlarda, elektronlar hızlandırılır ve ardından keşfedilebilir çıkış akımı sağlamak için ikinci emilim boyunca elektron miktarlarını arttırırlar. Işılçoğaltıcılar hala yaygın olarak kullanılırlar ve ışığın çok düşük olduğu seviyelerde bile algılanırlar.

Görüntü alıcıları

Fotoelektrik etkinin kullanıldığı televizyonun ilk zamanlarındaki video kameralı tüpler, örneğin Philo Farnsworth’ün “Image dissector” ünde optik bir imajın taranan elektronik bir sinyale dönüşmesi için fotoelektrik etki tarafından yüklenmiş bir ekran kullanılmıştır.

Altın tabakalı elektroskop

Altın tabakalı elektroskoplar durağan elektriği tayin etmesi için tasarlanmışlardır. Metal kaba yerleşmiş yük gövdeye ve elektroskopun altın tabakasına doğru yayılır. Çünkü sonra aynı yüke sahip olacaklarından gövde ve tabaka birbirini iter. Böylece tabaka gövdeden ayrılır. Elektroskop fotoelektrik etkiyi göstermenin en önemli araçlarından biridir. Örneğin, eğer elektroskop bu süre boyunca negatif yüklenseydi, elektron fazlalığı olur ve tabaka gövdeden ayrılırdı. Eğer yüksek frekanslı ışık kap üzerinde yansırsa, elektroskop yüklerini boşaltır ve tabaka güçsüzleşmeye başlar. Çünkü kap üzerine gelen ışığın frekansı kapın eşik frekansını aşmaktadır. Işığın fotonları negatif yükü azaltarak kaptan elektron koparmak için gerekli enerjiye sahip olur. Bu negatif yüklü bir elektronu boşaltır ve daha sonra pozitif elektroskopu yükler. Ancak, eğer metal kaba çarpan elektromanyetik ışıma yeterli frekansa (kap için frekans eşik değerin altında) sahip değilse, sonra tabaka ne kadar düşük bir ışık yansısa bile asla yüklenmez.

Fotoelektron spektroskopi

Fotoelektronların enerjisi tam olarak gelen foton eksi maddenin iş fonksiyonu ya da bağlanma enerjisini yansıttığından, maddenin iş fonksiyonu monokromatik X ışını veya UV kaynağı ile bombardıman edilerek bulunabilir. Fotoelektron spektroskopi genellikle yüksek vakum çevresinde yapılır, çünkü eğer ortamda gaz molekülleri varsa elektronlar dağılır. Ancak, bazı şirketler havada fotoyansımaya izin veren ürünler satmaktalar. Işık kaynağı lazer, boşalabilen tüp ya da sinkotron ışıma kaynağı olabilir. Eş merkezli yarım küre analizörü (CHA) tipik bir elektron enerjisi analizörüdür ve gelen elektronların yönünü değiştirmek için kinetik enerjilerine bağlı olarak bir elektrik alanı kullanır. Her element ve çekirdek için farklı bir bağlanma enerjisi olacaktır. Bu birleşimlerden oluşan birçok elektron analizör çıkışında aniden yükselir ve maddenin elementel bütününü belirlemek için kullanılır.

Uzay aracı

Fotoelektrik etki pozitif bir yük oluşturması için güneş ışığına maruz bir uzay aracına neden olur. Bu temel bir problem olabilir, uzay aracının gölgede kalan diğer kısımları plazmanın yanında negatif bir yük oluşturur ve dengesizlik hassas elektrikli bileşenlerin yükünü boşatabilir. Fotoelektrik etki ile oluşturulan durağan yük sınırlıdır, çünkü daha yüklü objeler elektronlarını daha kolay bırakırlar.

Ay tozu

Ay'a çarpan güneşten yansıyan tozlar fotoelektrik etki boyunca yüklenmeye neden olur. Yüklü toz kendini ittirir ve elektrostatik hareketlenmeyle Ay'ın yüzeyinden kendini ittirir. Atmosfer tozu olarak gösterilen bu tozlar ince bir sis ve bulanıklık ile gün batımından sonra karanlık bir ışık olarak görülürler. Ilk kez 1960'lı yıllarda Surveypr programı ile fotoğraflanmışlardır. En küçük parçaların kilometrelerce uzaklara itildikleri düşünülür ve bu parçacıklar yüklenen ve boşalan "çeşme”ler gibidir.

Gece görüşlü araçlar

Görüntü yoğunlaştırıcı tüp içinde galyum arsenit gibi alkali bir metal ya da yarı iletken bir maddenin ince bir tabakasından fırlayan fotonlar fotoelektrik etkiden dolayı fotoelektronların çıkarılmasına neden olurlar. Fosfor kaplı ekrana çarptıkları yerde bir elektrostatik alanın tarafından hızlandırılırlar ve elektronlar foton haline geri döner. Elektronlar hızlanmaya başlayınca ya da mikra kanallı tabakalar ile ikincil emilimler elektron sayısını arttırınca sinyal yoğunlaşır. Bazen bu iki yöntem birlikte kullanılır. Iletim bandından vakum seviyesine bir elektronun hareketi için ek kinetik enerji gereklidir. Bu fotokatotların elektron ilgisi olarak bilinir ve bant aralığı modelinde anlatıldığı üzere yasaklı banttan diğerine fotoemisyon için bir bariyer görevi görür. Galyum arsenit gibi bazı maddelerin elektron ilgisi iletim bandının altındadır. Bu maddelerde ışıma yapması için yeterli enerjili elektronlar iletim bandına atlar ve fotonları emen film biraz kalın olabilir.Bu maddeler negatif elektron ilgisi olan maddeler olarak bilinir.

Çapraz kesit

Fotoelektrik etki fotonlar ve atomlar arasındaki etkileşimdir. Teorik olarak olası 12 etkileşimden biridir. Elektronun dinlenme halindeki enerjisi 511 keV ile yüksek foton enerjileri karşılaştırıldığında, Compton saçılması gerçekleşebilir. Yaklaşık iki katı (1.022 MeV) çift üretimi de gerçekleşebilir. Compton saçılması ve çift üretimi yarışan diğer iki mekanizmanın örnekleridir. Aslında, eğer fotoelektrik etki tek parçalı foton bağlı elektron etkileşimi için desteklenirse, sonuç istatistiksel işlemlere göre değişir ve fotonun yok olacağı ve bağlı bir elektronun uyarılacağı (genellikle gama ışığı enerjisindeki K ve L kabuk elektronları) garanti edilemez. Fotoelektrik etkinin olma olasılığı etkileşimin çapraz kesitiyle σ ölçülür. Bu, hedef atomun veya foton enerjisinin atom numarasının bir fonksiyonu olarak bulunur. Yaklaşık olarak, foton enerjileri için en yüksek atom bağlanma enerjisi aşağıda verilmiştir: Z atom numarasıdır, n 4 ve 5 arası değişen bir sayıdır (düşük foton enerjilerinde karakteristik bant isimleri, K kesiti, L kesiti ve M kesiti gibi). Açık bir yorumlama olarak, gama ışınları alanında artan foton enerjiyle fotoelektrik etkinin aniden azaldığı görülür ve fotoelektrik etki atom numarası ile aniden yükselir. Bunun bir sonucu olarak yüksek Z'ye sahip maddeler iyi gamma ışıması yaparlar, bundan dolayı kurşun (Z= 82) elementi genellikle bu alanda tercih edilir.

Ayrıca bakınız