pola warna-warni di atas aspal basah yang dikenai bensin
terjadi akibat interferensi cahaya
Efek Fotolistrik
Ketika seberkas cahaya dikenakan pada logam, ada elektron
yang keluar dari permukaan logam. Gejala ini disebut efek fotolistrik. Efek fotolistrik
diamati melalui prosedur sebagai berikut. Dua buah pelat logam (lempengan logam
tipis) yang terpisah ditempatkan di dalam tabung hampa udara. Di luar tabung
kedua pelat ini dihubungkan satu sama lain dengan kawat. Mula-mula tidak ada
arus yang mengalir karena kedua plat terpisah. Ketika cahaya yang sesuai
dikenakan kepada salah satu pelat, arus listrik terdeteksi pada kawat. Ini
terjadi akibat adanya elektron-elektron yang lepas dari satu pelat dan menuju
ke pelat lain secara bersama-sama membentuk arus listrik.
Hasil pengamatan terhadap gejala efek fotolistrik
memunculkan sejumlah fakta yang merupakan karakteristik dari efek fotolistrik.
Karakteristik itu adalah sebagai berikut.
hanya cahaya yang sesuai (yang memiliki frekuensi yang lebih
besar dari frekuensi tertentu saja) yang memungkinkan lepasnya elektron dari
pelat logam atau menyebabkan terjadi efek fotolistrik (yang ditandai dengan
terdeteksinya arus listrik pada kawat). Frekuensi tertentu dari cahaya dimana
elektron terlepas dari permukaan logam disebut frekuensi ambang logam.
Frekuensi ini berbeda-beda untuk setiap logam dan merupakan karakteristik dari
logam itu.
ketika cahaya yang digunakan dapat menghasilkan efek
fotolistrik, penambahan intensitas cahaya dibarengi pula dengan pertambahan
jumlah elektron yang terlepas dari pelat logam (yang ditandai dengan arus
listrik yang bertambah besar). Tetapi, Efek fotolistrik tidak terjadi untuk
cahaya dengan frekuensi yang lebih kecil dari frekuensi ambang meskipun
intensitas cahaya diperbesar.
ketika terjadi efek fotolistrik, arus listrik terdeteksi
pada rangkaian kawat segera setelah cahaya yang sesuai disinari pada pelat
logam. Ini berarti hampir tidak ada selang waktu elektron terbebas dari
permukaan logam setelah logam disinari cahaya.
Karakteristik dari efek fotolistrik di atas tidak dapat
dijelaskan menggunakan teori gelombang cahaya. Diperlukan cara pandang baru
dalam mendeskripsikan cahaya dimana cahaya tidak dipandang sebagai gelombang
yang dapat memiliki energi yang kontinu melainkan cahaya sebagai partikel.
Perangkat teori yang menggambarkan cahaya bukan sebagai
gelombang tersedia melalui konsep energi diskrit atau terkuantisasi yang
dikembangkan oleh Planck dan terbukti sesuai untuk menjelaskan spektrum radiasi
kalor benda hitam. Konsep energi yang terkuantisasi ini digunakan oleh Einstein
untuk menjelaskan terjadinya efek fotolistrik. Di sini, cahaya dipandang
sebagai kuantum energi yang hanya memiliki energi yang diskrit bukan kontinu
yang dinyatakan sebagai E = hf.
Konsep penting yang dikemukakan Einstein sebagai latar
belakang terjadinya efek fotolistrik adalah bahwa satu elektron menyerap satu
kuantum energi. Satu kuantum energi yang diserap elektron digunakan untuk lepas
dari logam dan untuk bergerak ke pelat logam yang lain. Hal ini dapat
dituliskan sebagai
Energi cahaya = Energi ambang + Energi kinetik maksimum
elektron
E = W0 + Ekm
hf = hf0 + Ekm
Ekm = hf – hf0
Persamaan ini disebut persamaan
efek fotolistrik Einstein. Perlu diperhatikan bahwa W0 adalah energi ambang
logam atau fungsi kerja logam, f0 adalah frekuensi ambang logam, f adalah
frekuensi cahaya yang digunakan, dan Ekm adalah energi kinetik maksimum
elektron yang lepas dari logam dan bergerak ke pelat logam yang lain. Dalam
bentuk lain persamaan efek fotolistrik dapat ditulis sebagai
Dimana m adalah massa elektron
dan ve adalah dan kecepatan elektron. Satuan energi dalam SI adalah joule (J)
dan frekuensi adalah hertz (Hz). Tetapi, fungsi kerja logam biasanya dinyatakan
dalam satuan elektron volt (eV) sehingga perlu diingat bahwa 1 eV = 1,6 × 10−19
J.
Potensial Penghenti
Gerakan elektron yang ditandai
sebagai arus listrik pada gejala efek fotolistrik dapat dihentikan oleh suatu
tegangan listrik yang dipasang pada rangkaian. Jika pada rangkaian efek
fotolistrik dipasang sumber tegangan dengan polaritas terbalik (kutub positif
sumber dihubungkan dengan pelat tempat keluarnya elektron dan kutub negatif
sumber dihubungkan ke pelat yang lain), terdapat satu nilai tegangan yang dapat
menyebabkan arus listrik pada rangkaian menjadi nol.
Arus nol atau tidak ada arus
berarti tidak ada lagi elektron yang lepas dari permukaan logam akibat efek
fotolistrik. Nilai tegangan yang menyebabkan elektron berhenti terlepas dari
permukaan logam pada efek fotolistrik disebut tegangan atau potensial penghenti
(stopping potential). Jika V0 adalah potensial penghenti, maka
Ekm = eV0
Persamaan ini pada dasarnya
adalah persamaan energi. Perlu diperhatikan bahwa e adalah muatan elektron yang
besarnya 1,6 × 10−19 C dan tegangan dinyatakan dalam satuan volt (V).
Aplikasi Efek fotolistrik
Efek fotolistrik merupakan
prinsip dasar dari berbagai piranti fotonik (photonic device) seperti lampu LED
(light emitting device) dan piranti detektor cahaya (photo detector).
Soal No. 1
Cermati gambar percobaan
penyinaran suatu lempeng logam dengan cahaya berikut. Jika fungsi kerja logam
adalah 2,2 eV dan cahaya yang disinarkan memiliki panjang gelombang λ dan
frekuensi f tentukan:
a) energi cahaya minimal yang diperlukan
agar elektron lepas dari logam
b) frekuensi cahaya minimal yang
diperlukan agar elektron lepas dari logam
c) panjang gelombang maksimum
yang diperbolehkan agar elektron lepas dari logam
Gunakan data berikut :
Cepat rambat cahaya c = 3 x 108
m/s
Tetapan Planck h = 6,6 x 10−34 Js
1 eV = 1,6 x 10−19 joule
Pembahasan
a) energi cahaya minimal yang
diperlukan agar elektron lepas dari logam
energi cahaya minimal tidak lain
adalah energi ambang atau fungsi kerja logam. Sehingga
Wo = 2,2 eV
Wo = 2,2 x (1,6 x 10−19 ) joule =
3,52 x 10−19 joule
b) frekuensi cahaya minimal yang
diperlukan agar elektron lepas dari logam
Ingat energi foton atau cahaya
adalah E = hf, E disini dilambangkan sebagai Wo sehingga
Wo = h fo
3,52 x 10−19 = 6,6 x 10−34 x fo
fo = 0,53 x 1015 joule
c) panjang gelombang maksimum
yang diperbolehkan agar elektron lepas dari logam
Hubungkan dengan kecepatan cahaya
λmax = c / fo
λmax = 3 x 108 / 0,53 x 1015
λmax = 5,67 x 10−7 m
Soal No. 2
Cermati gambar percobaan
penyinaran suatu lempeng logam dengan cahaya berikut:
Jika fungsi kerja logam adalah
2,1 eV dan cahaya yang disinarkan memiliki panjang gelombang 2500 Å dengan
konstanta Planck 6,6 x 10−34 Js dan 1 eV = 1,6 x 10−19 joule, tentukan
a) energi ambang logam dalam
satuan joule
b) frekuensi ambang
c) panjang gelombang maksimum
yang diperlukan untuk melepas elektron dari logam
d) panjang gelombang dari cahaya
yang disinarkan dalam meter
e) frekuensi dari cahaya yang
disinarkan dalam Hz
f) energi foton cahaya yang
disinarkan
g) energi kinetik dari elektron
yang lepas dari logam
Pembahasan
Skemanya seperti ini
Logam yang di dalamnya terdapat
elektron-elektron disinari oleh cahaya yang memiliki energi E. Jika energi
cahaya ini cukup besar, maka energi ini akan dapat melepaskan elektron dari
logam, dengan syarat, energi cahayanya lebih besar dari energi ambang bahan.
Elektron yang lepas dari logam atau istilahnya fotoelektron akan bergerak dan
memiliki energi kinetik sebesar Ek
Hubungan energi cahaya yang
disinarkan E, energi ambang bahan Wo dan energi kinetik fotoelektron Ek adalah
E = Wo + Ek
atau
hf = hfo + Ek
a) energi ambang logam dalam
satuan joule
Wo = 2,1 x (1,6 x 10−19 ) joule =
3,36 x 10−19 joule
b) frekuensi ambang
Wo = h fo
3,36 x 10−19 = 6,6 x 10−34 x fo
fo = 0,51 x 1015
c) panjang gelombang maksimum
yang diperlukan untuk melepas elektron dari logam
λmax = c / fo
λmax = 3 x 108 / 0,51 x 1015
λmax = 5,88 x 10−7 m d) panjang
gelombang dari cahaya yang disinarkan dalam meter
λ = 2500 Å = 2500 x 10−10 m = 2,5
x 10−7 m
e) frekuensi dari cahaya yang
disinarkan dalam Hz
f = c/λ
f = 3 x 10 8/2,5 x 10−7
f = 1,2 x 10 15 Hz
f) energi cahaya yang disinarkan
E = hf
E = (6,6 x 10−34) x 1,2 x 10 15 =
7,92 x 10 −19 joule
g) energi kinetik dari elektron
yang lepas dari logam
E = Wo + Ek 7,92 x 10 −19 = 3,36
x 10−19 + Ek
Ek = 7,92 x 10 −19 − 3,36 x 10−19
= 4,56 x 10−19 joule
Soal No. 3
Sebuah keping logam yang
mempunyai energi ambang 2 ev disinari dengan cahaya monokromatis dengan panjang
gelombang 6000 Å hingga elektron meninggalkan permukaan logam. Jika h = 6,6 ×
10−34 Js dan kecepatan cahaya 3 × 108 m/detik, maka energi kinetik elektron
yang lepas....
A. 0,1 × 10–19 joule
B. 0,16 × 10–19 joule
C. 1,6 × 10–19 joule
D. 3,2 × 10–19 joule
E. 19,8 × 10–19 joule
Sumber soal : Ebtanas tahun 1986
Pembahasan
Data dari soal:
Energi ambang Wo = 2 eV = 2 x
(1,6 x 10−19 ) = 3,2 x 10−19joule
Panjang gelombang λ = 6000 Å =
6000 x 10−10 = 6 x 10−7 m
Soal No. 4
Permukaan katode disinari cahaya
sampai pada frekuensi tertentu, ternyata tidak terjadi foto elektron. Agar
permukaan katode memancarkan foto elektron, usaha yang dapat dilaksanakan
adalah …
A. mengurangi tebal katode dan
memperbesar intensitas cahaya
B. memperbesar panjang gelombang
dan memperbesar intensitasnya
C. mengurangi tebal katode dan
memperbesar panjang gelombang
D. memperbesar frekuensi cahaya
sampai frekuensi batas dan memperbesar intensitasnya
E. memperbesar frekuensi cahaya
sampai di atas frekuensi batas dan memperbesar intensitasnya
Sumber soal : Ebtanas 1987
Pembahasan
Foto elektron tidak terjadi
berarti energi cahaya yang disinarkan masih dibawah energi ambang, untuk itu
frekuensi cahaya harus diperbesar hingga menghasilkan energi yang melebihi
energi ambang. Untuk memperbanyak jumlah foto elektron yang terjadi, maka
intensitas cahaya harus dinaikkan.
Soal No. 5
Hubungan energi kinetik elektron
dan frekuensi penyinaran pada gejala foto listrik terlihat pada grafik di bawah
ini.
Apabila konstanta Planck h,
besarnya fungsi kerja logam adalah …
A. 1 h
B. 2 h
C. 3 h
D. 4 h
E. 8 h
Sumber soal : Ebtanas 1989
Pembahasan
Dari gambar terlihat frekuensi
ambang adalah 4 HZ, sehingga nilai fungsi kerja logam
Wo = hfo = h(4) = 4h
0 komentar:
Posting Komentar