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.