Temel Kuantum Fiziği ve Kuantum Teknolojilerine Giriş · 1. Ünite: Klasik Fiziğin Sınırları ve Kuantum Düşüncesinin Doğuşu

Fotoelektrik Olay ve Compton Saçılması

Planck enerji kuantumunu madde ile ışık arasındaki alışverişe yüklemişti; ışığın kendisinin kuantumlu olduğunu ileri süren Einstein'dı (1905). Bu konu, bu iddiayı sınayan iki deneyi işler: fotoelektrik olayda tek bir foton enerjisini ($E = h\nu$) tek bir elektrona bütünüyle aktarır; Compton saçılmasında ise foton bir momentum ($p = h/\lambda$) taşır ve elektronla bir bilardo topu gibi çarpışır. Sonunda Einstein denklemiyle durdurma gerilimini ve eşik frekansını hesaplayabilecek, Millikan verisinden $h$ ve iş fonksiyonunu çıkarabilecek, Compton kayma formülünü relativistik korunum yasalarından türetebilecek ve geri tepen elektronun enerjisini ve açısını bulabileceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Işık Metalden Elektron Söktüğünde

  2. Einstein'ın Işık Kuantumu ve Fotoelektrik Denklemi

  3. Millikan Deneyi: h'nin Fotoelektrik Ölçümü

  4. Foton Momentumu

  5. Compton Saçılması: Kayma Formülünün Türetilmesi

  6. Geri Tepen Elektron: Enerji, Açı ve Compton Kenarı

  7. Çözümlü Örnekler

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Fotoelektrik olay (photoelectric effect)
Işığın bir yüzeyden elektron sökmesi; sökülen elektronların en büyük kinetik enerjisi frekansa bağlıdır, şiddete bağlı değildir.
Foton (photon)
Elektromanyetik alanın enerji kuantumu: E = hν, p = h/λ, durgun kütlesi sıfır.
İş fonksiyonu (work function) W
Bir elektronu metalin Fermi düzeyinden vakuma çıkarmak için gereken en küçük enerji; tipik olarak 2–6 eV.
Eşik frekansı ν₀
Fotoelektronların sökülebildiği en küçük frekans, ν₀ = W/h; karşılık gelen eşik dalga boyu λ₀ = hc/W.
Durdurma gerilimi (stopping potential) V_s
Fotoakımı sıfırlayan ters gerilimin büyüklüğü; eV_s = K_max = hν − W.
Einstein fotoelektrik denklemi
K_max = hν − W; tek bir fotonun enerjisinin tek bir elektrona aktarılmasında enerji korunumu.
Compton saçılması
X ya da gama fotonunun serbest (zayıf bağlı) bir elektrondan saçılarak dalga boyunun Δλ = λ_C(1 − cos θ) kadar artması.
Compton dalga boyu λ_C
h/(m_e c) = 2,426 pm; enerjisi elektronun durgun enerjisine (511 keV) eşit fotonun dalga boyu.
Compton kenarı (Compton edge)
Geri saçılmada (θ = 180°) elektrona aktarılan en büyük kinetik enerji, K_max = 2E²/(m_e c² + 2E); gama spektrumlarında keskin bir sınır olarak görülür.
Thomson saçılması
Elektromanyetik dalganın serbest yükten frekans değişmeden saçıldığı klasik saçılma; Compton saçılmasının düşük enerji limitidir.

Örnek soru

Bir fotoelektrik deneyinde dalga boyu sabit tutulup ışık şiddeti iki katına çıkarılıyor. Foton modeline göre ne gözlenir?

  1. Doyum akımı iki katına çıkar, durdurma gerilimi değişmez
  2. Doyum akımı değişmez, durdurma gerilimi $\sqrt2$ katına çıkar
  3. Doyum akımı ve durdurma gerilimi iki katına çıkar
  4. Eşik frekansı azalır, durdurma gerilimi artar
  5. Ne akım ne de durdurma gerilimi değişir

Doğru cevap: A

Çözüm

1. Şiddet $I = \Phi h\nu$; $\nu$ sabitken şiddetin iki katına çıkması foton akısının $\Phi$ iki katına çıkması demektir.
2. Her foton en fazla bir elektron söktüğünden sökülen elektron sayısı, dolayısıyla doyum akımı iki katına çıkar.
3. Foton başına enerji $h\nu$ değişmediğinden $eV_s = h\nu - W$ değişmez: akım 2 kat, $V_s$ sabit.
"$V_s$ $\sqrt2$ katına çıkar" seçeneği klasik dalga kuramının beklentisidir (alan genliği $\propto\sqrt I$); deneyler bunu doğrulamaz.

Temel Kuantum Fiziği ve Kuantum Teknolojilerine Giriş: tüm konular