ÖN BİLGİ
advertisement
DENEY NO :3 DENEYİN ADI : FOTOELEKTRİK ETKİ DENEYİN AMACI : TEORİK BİLGİ Bir metalin, fotonlarla bombardıman edilerek yüzeyinden elektronların koparılmasına fotoelektrik olay denir. Fotoelektrik etkiyi ilk olarak 1887 yılında Heinrich Hertz, elektromanyetik dalgalar üzerine yaptığı deneylerde gözlemlemiştir. Hertz deney yaparken, katotla anot arasında hava boşluğunda oluşan elektrik arklarının, katot üzerine morötesi ışık gönderildiğinde daha kolay oluştuğunu fark etti. Bu gözlemin üzerinde kendisi fazla durmadı ancak başka fizikçiler bu olayı anlamaya çalıştılar. Kısa zamanda bu olayın sebebinin, katot üzerine gelen ışığın frekansı yeterince yüksek olduğunda katottan elektron yayımlanması olduğu anlaşıldı. Böylece ışığın, metal bir yüzeyden elektron sökme etkisine sahip olduğu anlaşılmış oldu. Biz bu etkiye fotoelektrik etki diyoruz. Işık tarafından sökülen elektronlara da fotoelektronlar adını veriyoruz. Işığın metal bir yüzeydeki elektronları sökücü bir etkiye sahip olması, klasik em dalgalar teorisi ile açıklanabilen bir olgudur. Bunun için, em dalgaların birbirlerine dik doğrultularda salınan elektrik ve manyetik alanlardan oluştuklarını düşünmemiz yeterlidir (Şekil 3.1). EM dalganın elektrik alanı yüklü bir parçacık olan elektrona eE şeklinde bir kuvvet uygular. Burada E elektrik alanı ve e elektronun yükünü göstermektedir. Bu kuvvetin neden olduğu itme ile bir elektron metal bir yüzeyden sökülebilir. Bu sebeple fotoelektrik etki başlangıçta fizikçileri çok şaşırtmamış ve bu olayın klasik fizik ile açıklanabilir olduğu düşünülmüştür. Ancak fotoelektrik etkiye ilişkin yapılan daha detaylı deneyler, bu etkinin klasik fizik ile açıklanmasının mümkün olmadığını göstermiştir. Şekil 3.1 Işığın elektromanyetik dalga modeli Fotoelektrik olayın nasıl incelendiği Şekil 3.2’de gösterilmiştir. Havası boşaltılmış bir tüpün içinde, bir değişken voltaj kaynağına bağlanmış iki elektrot vardır. Yüzeyine ışık düşen metal plaka anot görevi görür. Bu yüzden metal yüzeyden kopan fotoelektronlardan bazılarının enerjileri, negatif yüklü olmasına rağmen katoda erişmeye yeterlidir. Katoda ulaşan bu elektronların oluşturduğu akım katoda bağlı bir ampermetre ile ölçülebilir. Şekil 3.2 Fotoelektrik etkiye ilişkin deneyler şu sonuçları vermektedir: Metal yüzeylerin ışığın fotoelektrik etkisi sonucu elektron yayıp yaymayacakları, gönderilen ışığın frekansına bağlıdır. Metalden metale değişen bir frekans eşiği vardır ve ancak frekansı bu eşik değerden büyük olan ışık bir fotoelektrik etki oluşturur. Fotoelektronların meydana getirdiği akım, eğer ışığın frekansı eşik değerden büyükse, ışığın şiddetine bağlılık gösterir. Işığın şiddeti arttıkça akım da artar. Fotoelektronların kinetik enerjisi ışığın şiddetinden bağımsız olup gelen ışığın frekansı ile doğru orantılı olarak artar. Bu deney sonuçlarının klasik elektromanyetik dalgalar teorisi ile açıklanması mümkün değildir. Klasik teoriye göre ışığın enerjisini hem şiddet hem de frekans belirler. Işığın şiddeti sürekli olarak değişebilir. Bu durumda fotoelektronların enerjisinin yalnızca frekansa bağlı olması ve frekans eşiği kavramı klasik teori ile açıklanamaz. Fotoelektrik olayın açıklaması 1905 yılında Albert Einstein tarafından yapıldı. Einstein, yenilikçi bir yaklaşımla, ışığın enerjisinin klasik teoride öngörüldüğü gibi dalga cephelerine dağılmış sürekli bir enerji dağılımı şeklinde değil de belirli paketçiklerde toplanmış olduğunu öngördü. Einstein bu öngörüde bulunurken Planck’ın siyah cisim radyasyonunu açıklamak için kullandığı varsayımından ilham aldı. Planck 1900 yılında siyah cisim radyasyonunun doğasını açıklamak için, bir kovuk içerisindeki duran em dalga kiplerinin enerjilerinin, En= nhv şeklinde kuantumlu olduğunu varsaymıştı. Bu formülde n bir pozitif tamsayı, ν em dalganın frekansı ve h Planck tarafından önerilen ve ‘Planck sabiti’ olarak bilinen bir sabittir. Einstein, Planck’ın varsayımının yalnızca duran em dalgaları için değil tüm em dalgalar için geçerli olduğunu varsaydı. Einstein’in varsayımına göre ışık, hν enerjili kuantumlardan meydana gelmiştir. Biz bugün ışığın kuantumlarına foton diyoruz. Bir ışık demetinin enerjisi E=nhν şeklinde verilir. n sayısı demetin kaç tane foton içerdiğini gösterir ve ışık demetinin şiddetini bu sayı belirler. Bu durumda tek bir fotonun enerjisini yalnızca frekansı belirleyecektir. Bu varsayım ile yukarıdaki deney sonuçlarını açıklamak mümkündür. Bir fotonun soğurulması, bir elektronun enerjisini hν kadar artırır. Bunun W kadarlık kısmı elektronu metalden ayırmaya harcanmalıdır. W’ya metalin iş fonksiyonu denir ve metalden metale değişir. hν < W ise elektron koparılamayacak, fakat hν > W ise koparılacak ve geriye kalan hν-W enerjisi ise elektronun kinetik enerjisi halinde kendini gösterecektir. Bu durumda fotoelektronların kinetik enerjisi, Ek= hν-W olarak yazılabilir. Görüldüğü gibi fotoelektronların kinetik enerjisi yalnızca ışığın frekansı ile doğrusal bir bağlılık gösterir. Metal için eşik frekansı ise, vo = W/h şeklinde olacaktır. DENEYİN YAPILIŞI Deney düzeneği şekilde gösterildiği gibi masa üzerinde kurulu haldedir. Bir güç kaynağı, 80 W gücünde yüksek basınçlı bir lamba, yarık, mercek, kırılma ızgarası, fotosel, yükseltici ve dijital multimetre bir kordon üzerine sırasıyla yerleştirilmiştir. Deneyde şu işlemler takip edilir 1. İlk olarak sırasıyla güç kaynağı, lamba ve yükseltici açılır, 2. Ölçüm almaya başlamadan önce yükseltici deşarj edilir, on dakika beklenir. 3. Cihazlardaki değerlerin ölçüm için uygun olup olmadığı kontrol edilir. Ölçüm sırasında yükseltici ve voltmetre değerleri şöyle olmalıdır: - Electrometer = Re> l013 Ω - Amplification = 100 - Time constant = 0 - Voltmetre : 2 V DC 4. Lambadan yayılan ışık demeti yarıktan geçerek merceğe ulaşır, oradan odaklanarak kırılma ızgarasına ulaşır. Izgara vesilesiyle dalga boylarına ayrılan ışık asıl olayın gerçekleşeceği fotosele ulaşır. 5. Fotosel içerisinde anot ve katottan oluşan bir düzenek vardır. ν frekanslı bir foton katota ulaştığında eğer yeterli enerjiye sahipse metalden bir elektron koparır. 6. Kopan elektronlardan bazıları ( enerjisi W’den büyükse ) anoda ulaşır, böylece anot ve katot arasında bir voltaj farkı oluşur. Bu değer multimetreden okunur, kaydedilir. 7. hv W 12 mv 2 eşitliği kullanılarak ν ışığın frekansı bulunur. Burada h Planck sabiti, W metalin iş fonksiyonu ( potasyum için W: 2.3 eV ), m elektronun kütlesi ve v elektronun hızıdır. 8. Fotosel üzerindeki gerilim kontrol düğmesi ile fotoelektronların toplayıcı plakaya ulaşmalarını engelleyen durdurucu gerilimin değeri artırılır. Multimetreden okunan değer sıfır olduğunda durdurulur. Böylece fotoelektronların oluşturduğu akım kesilmiş olur. Voltmetreden bu durdurucu gerilimin değeri okunur ve kaydedilir. 9. Aynı işlemler renk filtreleri kullanılarak da tekrarlanır. Sonuçlar kaydedilir, diğer sonuçlarla karşılaştırılır. 10. Elimizdeki veriler yardımıyla fotoelektronların max. kinetik enerjilerinin foton frekansına göre grafiği çizilir. Bu grafiğin eğiminden Planck sabitinin değeri belirlenir, teorik değeriyle karşılaştırılır. 11. Grafiğin frekans eksenini kestiği nokta yardımıyla eşik frekansı ve deneyde kullanılan metalin iş fonksiyonu bulunur, teorik değeriyle karşılaştırılır. SORULAR 1. Fotoelektrik etki olayında metalin türü fotoelektrik akımı etkiler mi, neden? 2. Fotoelektronların kinetik enerjileri, ışığın şiddetine ve frekansına nasıl bağlıdır? 3. Einstein’in fotoelektrik etkiye ilişkin varsayımına dayanarak, etkiye sebep olan ışığın frekansı ile durdurucu gerilimin değeri arasında nasıl bir ilişki olmasını beklersiniz? Elde ettiğiniz sonuçlar bu beklentinize uyuyor mu? 4. Yaptığınız deney ile Einstein’in varsayımı birbirini doğruluyor mu? Açıklayınınız.
