Site Arama

Kasım 2014
Pts Sal Çar Per Cum Cts Paz
« Eki    
 12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930

Elektromanyetik Dalganın Dalga ve Tanecik Özelliği

1. GİRİŞ

Işın veya elektromagnetik dalga uzayda çok büyük bir hızla hareket eden (yayılan) bir enerji şeklidir. Öteki enerjilerde olduğu gibi bu enerjinin de çeşitli şekilleri vardır. Bunlardan en çok bilinenleri, ışık, ısı, radyo dalgaları ve x-ışmlarıdır. Bu enerji şekillerinden göze görüneni sadece ışıktır. Işının uzaydaki hareketi dalgalar halinde olur. Uzayda dalgalar halinde hareket eden başka enerjiler de vardır. Örneğin, ses de uzayda dalgalar halinde yayıldığı halde ışından farklıdır. Işın boşlukta enerjisinden hiç bir şey kaybetmeden büyük bir hızla yayıldığı halde, ses yayılamaz. Örneğin, havası boşaltılmış bir fanustaki zilin sesi duyulmaz.

Ortamın katılığı arttıkça, ses dalgalarının hızı da artar. Örneğin sesin havadaki hızı saniyede 340 m iken, sudaki hızı 1440 m, çelikteki hızı 4820 m dir.

Bir ışının elektrik ve magnetik olmak üzere iki alanı vardır, Şekil.1. Bu iki alan sinüsoidaldır ve ışının yayılma yönüne ve birbirlerine diktir. Bir ışının maddeyle ilişkisi, bu iki alan vasıtasıyla olur.

Işının dalga ve tanecik olmak üzere iki karakteri vardır.

2. IŞININ DALGA KARAKTERİ

Işının dalga karakteri şu olaylardan kolayca anlaşılabilir.

1. Dalga Boyu,

2. Periyodu,

3. Frekansı,

4. Hızı,

5. Dalga Sayısı,

6. Kırınım Olayı.

Işının Dalga Boyu

Bir ışının dalga hareketinin art arda gelen iki maksimumu arasındaki uzaklığa, o ışının dalga boyu denir ve X ile gösterilir. Dalga boyu metre, santimetre, milimetre, mikrometre, nanometre, angströn, pikometre gibi çeşitli birimlerle verilebilir.

1 cm = 10 mm = 104 μm = 107 nm = 108

Işının Periyodu

Bir ışının periyodu, dalga hareketinin art arda gelen iki maksimumunun sabit bir noktadan geçmesi için gerekli olan süredir ve p ile gösterilir.

Işının Frekansı

Bir ışının saniyedeki periyot sayısına (l/p ye) ışının frekansı denir ve ν ile gösterilir, birimi hertz’dir (Hz). Saniyedeki bir periyoda, bir hertz, bir milyon katma da mega hertz (MHz) denir. Bir ışının frekansı içinden geçtiği ortama bağlı değildir. Sadece kendisini meydana getiren kaynağa bağlıdır. Kaynağın sıcaklığı yükseldikçe ışının frekansı da yükselir. Bir ışının frekansıyla periyodu arasında,

p ν = 1 bağıntısı vardır. Frekans bazen fresnel olarak da verilir.

1 fresnel * 106 MHz = 1012 Hz dir (has isimler boyut ifade edince küçük harfle yazılır).

Işının Hızı

Her çeşit ışının vakumdaki hızı aynıdır ve c ile gösterilir.

c = v λ = 3.1010 cm/s

Bir ışın saydam ortamlardan (maddelerden) geçer ve hızında bir azalma olur. Bu azalma ortamın kırma indisiyle ilgilidir. Söz konusu ortamda (maddede) ışının hızı ne kadar azalırsa, kırma indisi kadar büyür. Örneğin, ışının vakumdaki hızı c, ortamdaki hızı Cx ise, kırma indisi (nj),

nx = c/c1 olur.



3. IŞININ TANECİK ÖZELLİKLERİ (Kuvantum Mekaniği Özellikleri)

Işın absorplandığı veya emite edildiği zaman, enerji devamlı olarak bir maddeden ötekine geçer. Bu gerçek ilk defa 1887 yılında H. Hertz tarafından gözetlenmiştir. Hertz karanlıkta artı ve eksi yüklerle yüklediği iki küreyi bir ışın demetiyle aydınlattığı zaman, küreler arasında bir elektrik kıvılcımının meydana geldiğini (yüklerin boşaldığım) gözetlemiş ve buna fotoelektrik etki adını vermiştir. Ancak, olayın teorik temellerini aydmlatamamıştır. Hertz’in bu gözleminden yaklaşık 20 yıl sonra Einstein bu olayı açıklamayı başarmıştır. Einstein, ışın sadece bir dalgalar demeti değil, aynı zamanda bir parçacıklar akımıdır (seli) demiştir. Bundan başka ışın parçacıklarına foton veya kuvanta adını teklif etmiştir. Bir maddeden çıkan bir ışın parçacığı veya fotonu ikinci madde tarafından absorplandığı zaman, enerji devamlı olarak bir maddeden ötekine aktarılmış olur. Einstein’a göre hertz küreleri bir ışın demetiyle aydınlatıldığı

Şekil.4. Fotoelektrik olayını açıklamaya yarayan bir diyagram.

zaman, bir ışın taneciği bir mermi gibi davranmakta ve eksi yüklü kürenin yüzeyinden bir elektronu koparmakta, kopan elektron da öteki küre (anot) tarafından çekilmektedir. Böylece küreler arasında elektrik boşalması (kıvılcımı) meydana gelmektedir demiştir. Böyle bir açıklama zamanına göre çok ileri düzeyde olduğundan, pek kabul görmemiştir. Ancak, bu arada Millikan’m vakum fototüplerini bulması ve elektronun yağ damlası deneyini gerçekleştirmesi, Einstein teorisinin kabulü yönünde önemli ilerlemelere neden oldu.

Millikan tarafından kullanılan bir vakum fototübü basitleştirilmiş olarak Şekil.4 de verilmiştir. Böyle bir fototüpte elektrotlar metalden yapılmıştır. Bu elektrotlardan anot, monokromatik bir ışın demetiyle aydınlatıldığı zaman, elektrot yüzeyinden çeşitli enerjilerde elektronlar fırlar (emite olur). Tübün havası boşaltılmış olduğundan, elektronlar hava moleküllerine çarpmadan katoda doğru yol alır. Bu yol alma esnasında enerjisi yeterince büyük olan elektronlar katot yüzeyinde toplanırlar ve şekilde verilen devreden bir akım geçmesine neden olurlar. Devreden geçen akımın şiddeti I ampermetresiyle ölçülür. Fototüplerle yapılan deneylerde, devredeki gerilim (potansiyel), bir variyakla devreden akım geçmeyecek (sıfır olacak) şekilde ayarlanır (gerilim artırılır).

Böyle bir durumda fototüp devresinde bulunan voltmetreden okunan gerilime, sıfırlama gerilimi denir ve bu gerilim V0 simgesiyle gösterilir. Bu gerilimde en enerjili elektronlar bile katot yüzeyine ulaşamazlar (elektron-elektron itmesi, kulon kanunu).

Sıfırlama gerilimi V0 ile elektron e yükünün (-1,60 x 10-19 kulon) çarpımı bir enerjiyi (eV0) temsil eder: Bu enerji, kinetik enerjisi en büyük olan elektronun enerjisine eşittir ve birimi de juldür (1 jul = 0,239 cal).

Böyle bir vakumlu fototüple yapılan deneylerden alınan sonuçlar başlıca şöyledir:

1) Vakum tüpünde düşük gerilimlerde bulunan anot üzerine sabit frekansta (monokromatik) bir ışın demeti gönderildiğinde, devreden hemen bir elektrik akımı geçer. Geçen bu akımın şiddeti, anot üzerine gönderilen ışın demetinin şiddetiyle doğru orantılıdır. Bu akıma fotoakım denir.

2) Vakum tüpünde fotoakımı durdurmak için elektrotlar arasındaki gerilim artırılır. Fotoakımı sıfır yapan gerilime sıfırlama gerilimi denir. Bu gerilimin büyüklüğü anot üzerine gönderilen ışının frekansına (ν) ve anodun yapıldığı metale bağlıdır. Anot üzerine gönderilen ışın demetinin şiddetinden bağımsızdır (ışının şiddeti, o ışın demetinden birim yüzeye düşen foton sayısına bağlıdır).

Vakum tüpünden alınan birinci sonuç, ışının bir çeşit enerji olduğunu, bu enerjinin elektronu sadece anot yüzeyinden koparmakla kalmadığını, ona katot yüzeyine ulaşacak kadar da bir hız verdiğini, bu sayede de devreden bir elektrik akımı geçtiğini ve geçen akımın anot üzerine düşen ışın demetinin şiddetiyle orantılı olduğunu gösterir.

Vakum tüpünden alman ikinci sonuç, Şekil.5.’de verilen doğrularla açıklanmaya çalışılmıştır. Burada fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi, (eV,,) anodun yüzeyine uygulanan ışının frekansına karşı grafiğe geçirilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi potasyum, sodyum ve bakırın yüzeyinden fırlayan fotoelektronların maksimum kinetik enerjileri kendilerinin meydana gelmesine neden olan frekanslara karşı grafiğe geçirilmiştir.

Grafikten de kolayca görüldüğü gibi bir metal yüzeyine gönderilen ışının frekansı arttıkça fırlattığı elektronun kinetik enerjisi de artmaktadır. Şekilde görülen doğruların denklemleri,

f4.png

(3-1)

dir. Bunların eğimi planck sabiti h ya eşittir (h = 6,6261 x 10-34 jul saniyedir). Denklemde geçen ωi; değerine iş fonksiyonu denir. İş fonksiyonu bir elementin yüzeyinden bir elektronu fırlatmak için gerekli olan ışının frekansını gösterir. Alkali metallerden elektron fırlatmak için göze görünen ışınların (400 – 800 nm) frekansları yeterli olduğu halde, bakır, kadmiyum gibi metallerin yüzeyinden elektron fırlatmak için ultraviyole bölgesindeki ışınların frekansları ancak yeterli olabilmektedir. Metalin elektronegativitesi arttıkça, üzerinde bulunan elektronu fırlatmak için gerekli ışının frekansı da artar.

Millikan’ın elektronun, eksi bir yüklü tanecik olduğunu gösteren meşhur yağ damlası deneyinden yaklaşık 10 yıl kadar öne, Einstein bir ışının ν frekansıyla E enerjisi arasındaki bağıntıyı ifade eden,

f1.jpg eşitliğini vermişti. Einstein’ın bu bağıntısı, yukarıda verilen

f2.jpg (3)

bağıntısında yerine konursa,

f3.jpg (4)

elde edilir. Bu sonuncu eşitlik, anot üzerine gönderilen bir ışının enerjisi (E = hv) elektronu anot yüzeyinden ayırmak için sarfedilen enerjinin (ωi) anot yüzeyinden ayrılan fotoelektronun kinetik enerjisinden çıkarılmasına eşittir.

Fotoelektrik etkiyi ışının dalga modeliyle açıklamak mümkün değildir. Bu ancak, ışının kuvantum modeliyle açıklanabilir. Kuvantum modelinde bir ışın demeti, sonsuz sayıda parçacık demetinden meydana gelir. Bu parçacıklara enerji demetleri de denir. Yapılan hesaplamalar, ışının sadece dalga olması halinde, çarptığı yüzeye bir elektronu yerinden fırlatacak kadar bir enerjiyi aktaramayacağını ortaya koymakta ve ayrıca, bir elektronun da son derecede kısa bir sürede yeterince enerji alıp metal yüzeyini terkedemeyeceğini göstermektedir. Bilindiği gibi anot yüzeyine ışın demeti düşer düşmez Şekil.4’de görülen devreden bir akım geçer. Bu da enerjinin ışın demeti kesitinde üniform bir şekilde değil, enerji noktaları halinde dağıldığını gösterir.

Eşitlik 4 de frekans yerine dalga cinsinden eşitlik yazılırsa,

f5.jpg (5)

 

olur. Bu sonuncu eşitlik, enerjinin ışının dalga boyuyla ters orantılı olduğunu ortaya koyar.


Örnek 4. a) Dalga boyu 4,50 A° olan bir X-ışmınm ve b) dalga boyu 4500 A° olan göze görünen bir ışının enerjisini hesaplayınız.

a) X-ışını içinf5.jpg


f7.jpg

f8.jpgise,

f9.jpg

değeri elde edilir.

b) Görünür ışın için,

f10.jpgolur.

Görüldüğü gibi X-ışınının enerjisi göze görünen ışmınkinden bin defa daha büyüktür. Ancak X-ışınlarının enerjisi, elektron başına eV olarak verilmesine karşılık, görünür alan ışınlarında mol başına kJ olarak verilir. Buna göre,

f11.jpg

Örnek 5. Dalga boyu 8000 A° olan kırmızı ışının bir fotonun enerjisini ve kütlesini hesaplayınız.f12.jpg

bulunur.

100 fotonluk bir kırmızı ışın demetini göz görebildiğine göre, bu kadar ışının kütlesi 2,8 x 10-31 g eder. Normal olarak bir insan gözü yaklaşık 3 x 10-31 g lık bir kütleyi fark edebiliyor demektir. Buna karşılık dokunma duyumuzla fark edebildiğimiz kütle 10 g’ dir. Bu örnekten de anlaşılacağı gibi göz organımız, duyu organımızdan yaklaşık 10 defa daha hassastır.

Evrende de benzer örnekler vardır. Örneğin, Sirius yıldızının ortalama yoğunluğu 61000 g/mL olduğu halde, evrenin ortalama yoğunluğu 10-23 g/mL dir. Buna göre, Sirius yıldızı evrenden yaklaşık 6 x 1027 kat daha yoğun demektir.

3. YARARLANILAN KAYNAKLAR

1. İnstrümental Analiz. Prof. Dr. , GÜNDÜZ, Turgut. Gazi Kitabevi. 6. Baskı. Şubat 2002.

2. Organik Kimyada Spektroskopik Yöntemler. Prof. Dr. ERDİK, Ender. Gazi Kitabevi. 2. Baskı. Şubat 2002.

3. Enstrümental Analiz, SKOOG, Douglas A.; HOLLER, F. James; NİEMAN, Timothy A.; Çeviri: Prof. Dr. , KILIÇ, Esma; Prof. Dr. , KÖSEOĞLU, Fitnat; Prof. Dr. , YILMAZ, Hamza. Bilim Yayıncılık. 1. Baskı. 1998.