Senin, 26 Desember 2016

Efek Fotolistrik

Untuk menguji teori kuantum  yang dikemukakan olehMax Planck, Albert Einstein mengadakan suatu penelitian yang bertujuan untuk menyelidiki bahwa cahaya merupakan pancaran paket-paket energi yang kemudian disebut foton yang memiliki energi sebesar hf. Percobaan yang dilakukan Einstein lebih dikenal dengan sebutan  efek fotolistrik. Peristiwa efek fotolistrik yaitu terlepasnya elektron dari permukaan logam karena logam tersebut disinari cahaya.
Gambar diatas memperlihatkan skema perangkat ekperimen efek fotolistrik. Cahaya monokromatik yang dijatuhkan pada pelat logam K (katode) dapat melepaskan fotoelektron dari pelat logam tersebut. Pemberian beda potensial V antara K dan A (anode) menyebabkan fotoelektron bergerak dari  K menuju A. Aliran fotoelektron tersebut akan terdeteksi sebagai arus fotolistrik oleh galvanometer G.

Hubungan antara beda potensial V dan arus fotolistrik / diperlihatkan pada Gambar dibawah.



Ketika beda potensial listrik diperbesar, arus fotolistrik menunjukkan adanya peningkatan. Akan tetapi, ketika beda potensial tersebut terus diperbesar, arus fotolistrik mencapai harga tertentu yang relatif konstan, tidak bergantung pada beda potensial. Muncul dugaan bahwa jika potensial dijadikan nol, arus fotolistrik juga akan nol. Kenyataannya tidak demikian. Bahkan ketika polaritasnya dibalik pun (elektrode A menjadi positif), arus fotolistrik masih tetap ada meskipun pada akhirnya turun perlahan dan menjadi nol ketika beda potensial yang dibaliknya mencapai harga tertentu. Beda potensial yang menyebabkan terhentinya arus fotolistrik disebut potensial henti, diberi simbol VQ.
Pemberian beda potensial terbalik dapat digunakan untuk menentukan energi kinetik fotoelektron. Ketika pelat K menjadi positif, medan listrik akan berarah dari K menuju ke A. Akibatnya, fotoelektron yang bermuatan negatif, akan mendapat gaya Coulomb yang menentang arah geraknya. Lalu, mengapa masih ada fotoelektron yang mencapai pelat A sehingga arus fotolistrik masih terdeteksi? Kenyataan tersebut menunjukkan bahwa fotoelekton memiliki energi kinetik yang cukup untuk menentang gaya listrik. Baru ketika potensial terbalik ini terus diperbesar, arus fotoelektron terhenti. Ini berarti beda potensial yang diberikan telah memberikan energi potensial yang cukup untuk menghentikan fotoelektron. Besar energi potensial tersebut adalah eV0.
Ketika fotoelektron terhenti, sesuai dengan Hukum Kekekalan Energi  
        1        
Ek = ----- m v2 = e.V0
        2         
  dengan :
Ek = energi kinetik elektron foto (J ataueV)
m = massa elektron (kg)
v = kecepatan elektron (m/s)
e = muatan elektron (C)
Vo = potensial henti (volt)

Eksperimen efek fotolistrik menunjukkan bahwa elektron terikat pada logam, tetapi dapat lepas ketika elektron mendapatkan energi yang cukup. Namun demikian, ada fakta yang mengejutkan dari eksperimen tersebut, antara ;lain:
·         Ketika pelat logam disinari cahaya dengan panjang gelombang relatif panjang, efek fotolistrik tidak terjadi meskipun intensitas cahayanya diperbesar. Kenyataan ini bertolak belakang dengan teori gelombang yang menyatakan bahwa seharusnya, semakin besar intensitas cahaya, semakin banyak elektron yang dilepaskan dan energi kinetik maksimumnya pun semakin besar.
·         Teori gelombang juga menyatakan bahwa seharusnya frekuensi cahaya tidak mempengaruhi energi kinetik maksimum fotoelektron, hanya intensitas cahaya yang memengaruhinya. Namun, kenyataannya justru semakin besar frekuensi cahaya, semakin besar pula energi kinetik maksimum fotoelektron.
·         Kenyataan lain yang juga tidak dapat dijelaskan oleh teori gelombang adalah tidak ada selang waktu antara penyinaran logam dan lepasnya elektron dari logam, bahkan dengan intensitas rendah sekalipun.
Kenyataan-kenyataan tersebut menunjukkan bahwa efek fotolistrik tidak dapat dijelaskan jika cahaya dipandang sebagai gelombang.
Untuk menjelaskan fenomena tersebut, Albert Einstein mengajukan teori foton dari cahaya. Teori foton cahaya didasarkan pada Hipotesis Kuantum Planck yang menyatakan bahwa energi getaran molekul dari benda yang meradiasikan energi terkuantisasi dengan energi nhf. Menurut Einstein, ketika osilator molekul meradiasikan cahaya, energi osilator tersebut berkurang sebesar hf, 2hf atau 3 hf, dan seterusnya. Oleh karena energi bersifat kekal, cahaya yang dipancarkan osilator tersebut haruslah tersusun atas paket-paket energi yang terkuantisasi. Paket-paket energi yang terkuantisasi ini disebut kuanta atau foton dan memiliki energi sebesar
                            c        
        E = hf = h -------
                            λ     
dengan  :  E  =  energi foton (joule)
                  f   =  frekuensi foton (Hz)
                  h  =  tetapan Planck (h = 6,6.10-34 Js)
                  c  = cepat rambat cahaya
                  λ = panjang gelombang

Melalui teori foton, Einstein berhasil menjelaskan fenomena yang terjadi pada efek fotolistrik yang selama ini tidak dapat dijelaskan menggunakan teori gelombang. Menurut teori, ketika cahaya dijatuhkan pada logam, foton-foton yang berinteraksi dengan elektron akan memberikan seluruh energinya pada elektron. Sebuah foton hanya berinteraksi dengan sebuah elektron. Dengan kata lain, energi yang diterima sebuah elektron hanya berasal dari sebuah foton. Dengan demikian, energi kinetik maksimum sebuah fotoelektron tidak bergantung pada intensitas cahaya atau jumlah foton, tetapi bergantung pada frekuensi cahaya. Intensitas cahaya atau jumlah foton hanya akan meningkatkan arus fotoelektron karena semakin banyak foton yang berinteraksi dengan elektron, semakin banyak pula elektron yang lepas dari logam.
Ketika elektron logam menerima energi dari foton, elektron akan melepaskan diri dari logam. Jika masih ada sisa energi, elektronakan bergerak dengan energi kinetik maksimum tertentu. Energi foton minimum untuk melepaskan elektron dari logam disebut energi ambang atau fungsi kerja. Sesuai dengan Hukum Kekekalan Energi, energi kinetik maksimum fotoelektron sama dengan energi foton dikurangi energi ambang, atau secara matematis

Ek = E – Wo
E=hf
W0 = hf0

dengan :
Ek = energi kinetik maksimum elektron foto
h = konstanta Planck
f = frekuensi foton
fo = frekuensi ambang
E = energi foton
W0 = energi ambang atau fungsi kerja

Persamaan tersebut juga menunjukkan bahwa efek fotolistrik hanya akan terjadi jika energi foton lebih besar dari atau minimum tepat sama dengan energi ambang. Jika energi foton lebih kecil dari pada energi ambang, efek fotolistrik tidak akan terjadi.
Gambar  berikut memperlihatkan grafik hubungan antara energi kinetik maksimum fotoelektron dan frekuensi cahaya yang digunakan.



Grafik memotong sumbu frekuensi (f) pada frekuensi ambang ( f0 ). Jika grafik tersebut diekstrapolasikan (garis putus-putus) ke sumbu energi kinetik maksimum (EKniaks), diperoleh energi ambang W. Gradien dari grafik tersebut tidak lain adalah konstanta Planck (h). Grafik ini juga menunjukkan bahwa efek fotolistrik terjadi untuk  f  ≥ f0 .

contoh soal
Sebuah logam mempunyai frekuensi ambang 4 x 1014 Hz. Jika logam tersebut dijatuhi foton ternyata elektron foto yang dari permukaan logam memiliki energi kinetik maksimum sebesar 19,86 × 10-20 Joule. Hitunglah frekuensi foton tersebut!
(h = 6,62 × 10-34 Js)
Penyelesaian :
Diketahui : fo = 4 × 1014 Hz
Ek = 19,86 × 10-20 J
h = 6,62 × 10-34 Js
Ditanyakan : f = ...?
Jawab : Wo =hfo= 6,62 × 10-34 × 4 × 1014 J= 26,48 × 10-20 J
E = Ek + Wo
   = hf

              Ek – W0             19,86 × 10-20  -  26,48 × 10-20       
        f =  -------------- =  ---------------------------------------- = 7 x 1014 Hz
                     h                          6,62 × 10-34 


Soal Latihan :
1.       Frekuensi ambang suatu logam adalah 6.1014 Hz, jika logam tersebut disinari cahaya dengan gelombang yang frekuensinya 1015 Hz. Hitunglah energi kinetik electron foto yang terlepas dari permukaan logam tersebut! (h = 6,62 × 10-34 Js)
2.       Sebuah elektron baru akan terlepas dari permukaan logam jika disinari cahaya dengan panjang gelombang 5000 Å. Tentukan :  (h = 6,62 × 10-34 Js dan c = 3 × 108 m/s) a. fungsi kerja logam tersebut. (Wo = 3,972 × 10-19 J)
3.       b. energi kinetik elektron foto yang terlepas jika disinari cahaya dengan frekuensi 8 x 1014 Hz! (Ek = 1,324 × 10-19 J)

4.       Bila diketahui fungsi kerja sebuah logam 2,1 eV.  Jika foton dengan panjang gelombang  5 × 10-7 m dijatuhkan ke permukaan logam tersebut, tentukan berapa kecepatan maksimum elektron yang terlepas! (massa electron (m) = 9,1 × 10-31 kg, muatan elektron (e) = 1,6 × 10-19 C, dan h = 6,62 × 10-34 Js)