Fotoelektrik_etkisi
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.