Einstein’ın Işığı: Fotoelektrik Tesir ve Uygulamaları
Mühendis bir kamera flaşı aldı, masanın üzerindeki minik devre kartına doğrultarak açtı. Odayı bir anlığına ışık kapladı. Herkes gözlerini kırpıştırdı ve karşılarındaki bilgisayar çökmüştü.
ekibi, okullar ve elektronik meraklıları için ürettikleri uygun fiyatlı bilgisayarın fotoğrafının çekilmesinden nefret ettiğini söylemişti. En azından büyük bir xenon flaş lambasıyla fotoğraf çekildiğinde.
Raspberry Pi’nin kurucusu Eben Upton, “Hepimiz bundan keyif aldık” diye hatırlıyor. Bilgisayardaki bir çipin fotoelektrik tesire hassas olduğunu fark etmişlerdi. Bu tesir, ışık elektronların salımını ve hasebiyle elektrik akımını tetiklediğinde oluşuyordu. Bir çeşit aykırı “ışık anahtarı” denebilir.
Upton ve meslektaşları bu sorunu öngörmemişti. Aygıt 2015 başlarında satışa çıktıktan kısa bir mühlet sonra bir Raspberry Pi 2 kullanıcısı tarafından keşfedildi.
Bilgisayarın sonraki sürümlerinde, sıkıntılı çipe, gelen ışığı emecek kadar kalın bir siyah kaplama yapılmıştı.
Albert Einstein, 100 yıldan fazla bir mühlet evvel, 1905’te şimdi doktora öğrencisiyken yayımladığı çığır açıcı bir makalede fotoelektrik tesirini tanımlamıştı. 1921’de bu makale ona Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırdı.
Fotoelektrik tesir, hırsız alarmlarından güneş panellerine ve akıllı telefonlardaki kameraya kadar her türlü teknolojiyi şekillendirdi.
Daha düzgün anlamak için, Einstein’ın 1905’te aklına takılan şu soruyu ele alalım: Işık neden oluşur?
O periyotta birçok bilim insanı, ışığın salt bir dalga olarak var olduğunu ileri sürmüştü.
Max Planck, ışığı da içeren radyasyonun başka güç paketlerinden oluştuğunu savunan “kuanta” teorisini çoktan ortaya atmıştı, fakat bu teori epey tartışmalıydı.
Heinrich Hertz de dahil olmak üzere bilim insanları, ışıkla küçük kıvılcımlar oluşturarak yahut altın yaprak modüllerini elektrikle yükleyerek birbirlerini itmelerine neden olarak fotoelektrik tesirin farklı versiyonlarını da göstermişlerdi.
ABD’deki Gettysburg Koleji’nden Steve Gimbel, “Işığın elektrik üretebildiği ve insanların aklını başından alan kimi tuhaf, açıklanamayan olaylar vardı; bu hiçbir mana söz etmiyordu” diyor.
En tuhaf şey, ışığın yoğunluğunun üretilen elektronların gücünü etkilememesi, lakin ışığın frekansının yahut renginin etkilemesiydi.
Bu akıl almazdı. Daha fazla ışık daha fazla güç manasına gelmeli, değil mi?
Einstein, ışığın dalga gibisi özelliklere sahip başka paketlerden yahut parçacıklardan (daha sonra foton olarak adlandırıldı) oluşması durumunda, bu parçacıkların gücünün bunu açıklayabileceğini fark etti.
Uyarılmış elektronlar
York Üniversitesi’nden Paul Davies, “Tek bir foton bir elektrona çarptığında, elektron uyarılır” diye açıklıyor.
Foton kâfi güçle düştüğü sürece, fotoelektrik tesir meydana gelir ve elektron husustan özgür kalır.
Bir fotonun güç kıymeti, görünür ışığın rengiyle direkt alakalıdır. Örneğin, mavi ışıktaki fotonlar kırmızı ışıktakilerden daha fazla güce sahiptir.
Bu nedenle Hertz, deneylerinden birinde bilhassa enerjik ultraviyole ışığın daha güçlü kıvılcımlar üreteceğini bulmuştur.
Einstein’ın çalışmaları, bilhassa de görelilik teorisi herkesi bölmüştü, bu yüzden Nobel fizik komitesinin kimi üyeleri ona ödül vermekte tereddüt ettiler. Ödül verdiklerinde ise, mükafatı fotoelektrik tesir üzerine yaptığı çalışmalardan ötürü vermeyi tercih ettiler.
Bilim insanları uzun vakittir bunun en düzgün seçim olup olmadığını tartışıyorlar.
Ancak fotoelektrik tesirden yararlanmanın dünyamızın işleyiş biçimini değiştirdiğine dair çok az kuşku var. Zira birçok teknoloji buna dayanıyor.
Örneğin, hırsız alarm sistemlerindeki hareket sensörleri kızılötesi bir ışık demeti yayar.
Bu ışın bir davetsiz konuk tarafından kesildiğinde, sensöre ulaşan ışık değişir, elektrik akımı değişir ve bu da alarmı çalıştırır.
Olimpiyat Oyunları’ndaki bitiş çizgilerinde, koşucuların tam olarak ne vakit geçtiğini tespit etmek için fotoelektrik hücreler kullanılır.
Bu teknoloji, gemilerin sisi, otomobillerin ise yağmuru algılayarak sis düdüklerini ve silecekleri otomatik olarak çalıştırmasını sağlar.
Fotoelektrik tesirin bir öbür tanınan uygulaması da, dijital kameraların manzara yakalayan ışığa hassas kesimi olan kamera sensörleridir.
Neredeyse hepsi, 1990’larda NASA tarafından uzayda kullanılmak üzere ince ayar yapılan ve daha sonra milyarlarca akıllı telefona kurulan CMOS teknolojisini kullanıyor.
Ay parıltısı
Bu projede yer alan mühendislerden Eric Fossum, şu anda hayal edilebilecek en küçük ışık ölçüsüne, yani tek bir fotona hassas manzara sensörleri üzerinde çalışıyor.
Laboratuvarlarda halihazırda kullanılan bu “foton sayaçları”, örneğin tıbbi tomografi tarayıcılarında imaj kalitesini artırırken hastaları daha az radyasyona maruz bırakarak dijital görüntülemede ihtilal yaratabilir.
Dartmouth College’da çalışan Fossum, “Bu yeni teknoloji sayesinde karanlıkta bile neredeyse görme yeteneğimiz olayacak” diyor.
Einstein’ın 1905’te fotoelektrik tesir teorisini yazmasından bu yana, bu hususla ilgili birçok eğlenceli şey keşfedildi.
Ama dahası da var.
1960’larda, birinci Ay iniş araçları Ay ufkunda tuhaf bir şey fark etti: Tuhaf bir parıltı, neredeyse yavaşça kaybolan bir gün batımı üzere.
Ancak Ay’ın Dünya’nınki üzere bir atmosferi yok ve gezegen kendi ekseni etrafında dönerken gün doğumlarını ve gün batımlarını yaratan, atmosferimizdeki parçacıklar tarafından saçılan ışık.
Peki bu Ay parıltısı nereden geliyordu?
Güneşten gelen ışığın Ay’ın yüzeyindeki toza çarptığı ve fotoelektrik tesir yoluyla ona olumlu bir elektrik yükü verdiği ortaya çıktı.
Bu küçük toz parçacıkları böylelikle birbirlerini iterek periyodik olarak Ay yüzeyinin üzerinde havada asılı kaldı Bunu yaparken, yeni batan Güneş’in ışığını yakaladılar ve o büyülü parıltıyı yarattılar.
Bu içerik, Nobel Prize Outreach ve BBC tarafından ortak hazırlanmıştır.
