Efek Fotolistrik

Efek Fotolistrik adalah pengeluaran elektron dari suatu permukaan ketika dikenai dan menyerap radiasi elektromagnetik yang terdapat diatas frekuensi ambang.

Sudah belajar mengenai materi efek compton yang sebelumnya kami bahas? Baik lanjut saja ya, untuk mengamati fenomena radiasi terdapat eksperimen yang telah dilakukan di akhir abad ke-19.

Dari hasil percobaan tersebut menunjukkan bahwa cahaya menumbuk permukaan logam tertentu bisa mengakibatkan elektron terlepas yang kemudian dikenal sebagai efek fotolistrik.

Dalam pembahasan pelajaran fisika, peristiwa ini penting dipelajari untuk menambah wawasan. Terutama jika kamu ingin mempelajari fisika lebih detail lagi.

Pengertian Efek Fotolistrik

Efek fotolistrik merupakan pengeluaran elektron dari suatu permukaan ketika dikenai dan menyerap radiasi elektromagnetik yang terdapat di atas frekuensi ambang.

Untuk terjadi suatu efek maka diperlukan foton dengan energi dari beberapa elektron volt hingga lebih dari 1 MeV unsur dengan nomor atom yang tinggi.

Penelitian mengenai efek ini adalah sebuah langkah penting dalam memahami sifat kuantum cahaya, elektron, serta pembentukan konsep dualitas gelombang partikel.

Berdasarkan eksperimen tersebut dapat diketahui bahwa cahaya mempengaruhi gerakan muatan listrik. Hal tersebut juga terjadi pada efek fotovoltaik, fotoelektrokimia, serta efek fotokonduktif.

Teori Kuantum Mengenai Efek Fotolistrik

Fotolistrik yang dinyatakan dalam model Einstein menyatakan bahwa sebuah foto dengan intensitas cahaya akan memberikan semua energi hf ke sebuah elektron yang ada pada plat logam.

Namun, penyerapan energi yang dilakukan oleh elektron tidak terjadi secara terus menerus, karena energi dipindahkan ke elektron dengan paket tertentu, berbeda dengan yang dijelaskan dalam teori gelombang.

Pemindahan tersebut terjadi dengan konfigurasi satu foton untuk satu elektron. Sebelum mengeluarkan energi kinetik maksimum, elektron yang keluar dari permukaan plat logam dan tidak bersinggungan atau menabrak atom lain.

Berdasarkan Einstein, nilai energi kinetik maksimum untuk elektron yang terbebas dapat dihitung menggunakan rumus, yaitu:

Ek_maks = hf – ∅

f = Frekuensi foton (Hz)
h = Konstanta Planck (Js)
∅ = Fungsi kerja (eV)

Fungsi kerja menjelaskan bahwa energi minimum dibutuhkan agar elektron bisa menempel pada logam. Penjelasan efek fotolistrik menggunakan foton sebagai model cahaya, yaitu:

1. Intensitas cahaya tidak mempengaruhi besar energi kinetik yang dikeluarkan oleh fotoelektron. Apabila intensitas cahaya digandakan maka jumlah fotoelektron yang keluar juga dua kali lipat lebih besar. Tetapi, besar energi kinetik maksimum di setiap fotoelektron memiliki nilai yang sama dan tidak berubah.
2. Dalam waktu yang singkat elektron dapat terlepas dari logam. Fotoelektron yang keluar dengan cahaya yang datang memiliki selang waktu yang dipengaruhi oleh besar paket energi yang dibawa foton. Apabila intensitas cahaya yang diterima rendah maka foton yang datang per unit waktu akan sedikit.
3. Frekuensi cahaya tidak mempengaruhi keluarnya foton. Apabila besar energi yang dibawa foton tidak melebihi fungsi kerja, elektron tidak bisa dikeluarkan.
4. Frekuensi cahaya mempengaruhi besar energi kinetik maksimum.

Dualitas Gelombang Partikel

Efek fisik pertama yang menjelaskan mengenai dualitas gelombang partikel adalah efek fotolistrik. Cahaya memiliki sifat seperti gelombang dan dapat menghasilkan interferensi serta difraksi pada percobaan celah ganda yang dilakukan oleh Thomas Young.

Namun, dia bertukar energi di dalam paket energi, foton yang energi tersebut bergantung pada frekuensi radiasi elektromagnetik.

Sebuah gagasan klasik mengenai penyerapan radiasi elektromagnetik oleh elektron menyarankan agar energi terus menerus diserap.

Penjabaran mengenai hal tersebut terdapat dalam buku klasik, misalnya buku elektron oleh Milikan atau buku teori dan eksperimen sinar X oleh Compton dan Allison.

Setelah ada penjelasan kuantum yang dikemukakan oleh Albert Einstein maka ide dan teori sebelumnya cepat diganti.

Mekanisme Emisi Efek Fotolistrik

Foton yang berasal dari sinar memiliki energi dengan karakteristik yang ditentukan oleh frekuensi cahaya. Apabila elektron menyerap energi dari satu foton, namun energi yang diterima lebih banyak maka harus dikeluarkan.

Apabila energi foton terlalu kecil maka elektron tidak dapat keluar dari materi. Intensitas sinar yang meningkat akan membuat jumlah foton dalam berkas cahaya juga ikut meningkat. Namun, energ dari setiap foton tidak akan ikut meningkat walaupun dengan cara meningkatkan jumlah elektron.

Energi elektron yang dipancarkan tidak tergantung dengan intensitas cahaya yang masuk. Namun, bergantung energi atau frekuensi foton individual dan disebut sebagai interaksi antara foton dengan elektron terluar.

Ketika disinari, elektron dapat menyerap energi, namun biasanya hanya mengikuti prinsip tidak atau semua. Semua energi yang ada dari satu foton perlu diserap dan dipakai untuk membebaskan satu elektron dari atom yang mengikat atau energi dipancarkan kembali.

Apabila energi foton diserap, maka sebagian dari energi tersebut akan membebaskan elektron dan sisanya akan menjadi energi kinetik (EK) elektron sebagai partikel bebas. Saat radiasi di bawah frekuensi ambang maka tidak ada elektron yang dilepaskan.

Hal tersebut disebabkan elektron tidak memiliki energi yang cukup untuk mengatasi ikatan atom. Elektron yang dipancarkan dikenal sebagai fotoelektron.

Efek fotolistrik membantu panduan mengenai gelombang partikel yaitu sistem fisika yang menunjukkan sifat dari kedua gelombang partikel. Albert Einstein menjelaskan efek fotolistrik secara matematis dan selanjutnya dikembangkan oleh Max Planck. Hukum dari emisi fotolistrik, yaitu:

1. Jumlah fotoelektron yang dikeluarkan harus sama atau berbanding lurus dengan intensitas cahaya yang dipakai [ada logam dan radiasi tertentu.
2. Terdapat frekuensi minimum radiasi untuk logam tertentu. Jika di bawah frekuensi tersebut fotoelektron tidak dapat dipancarkan.
3. Intensitas cahaya tidak mempengaruhi energi kinetik yang dipancarkan oleh fotoelektron. Namun, bergantung pada frekuensi cahaya jika di atas frekuensi tersebut.
4. Radiasi dan pemancaran fotoelektron memiliki perbedaan waktu yaitu kurang dari 10-9 detik.

Kegunaan Efek Fotolistrik

Fotolistrik merupakan dasar dari produksi energi listrik oleh matahari sera penggunaan energi-energi matahari.

Efek ini juga dimanfaatkan dalam pembuatan sel yang dipakai untuk mendeteksi nyala boiler yang terdapat di pabrik termoelektrik besar.

Prinsip pengoperasian sensor yang ada pada kamera digital dan digunakan pada dioda fotosensitif juga hasil dari aplikasi fotolistrik. Contohnya, dalam elektrometer, elektroskop, dan sel fotovoltaik.

Saat ini bahan fotosensitif yang biasa digunakan berasal dari silikon dan tembaga yang dapat menghasilkan arus listrik lebih besar. Btw, kalau mau baca tentang efek rumah kaca juga ada di blog kami ya!

Rumus Efek Fotolistrik

Pada peristiwa fotolistrik, kamu bisa mengetahui beberapa hal dari rumus-rumus, yaitu:

1. Rumus frekuensi ambang

f₀ = ∅/h

Keterangan:

h = Konstanta planck (Js)
∅ = Fungsi kerja (eV)

2. Rumus energi kinetik (efek fotolistrik)

E_k = e V₀

Keterangan:

e = Muatan elektron (C)
V₀ = Potensial henti (V)

3. Rumus panjang gelombang

λ₀ =c/f₀ = hc/∅

Keterangan:

λ₀ = Panjang gelombang (m)
c = Kecepatan cahaya (3 10⁸ m/s)
hc = 1240 eV nm

4. Rumus energi kinetik teori kuantum

E_k = hf – ∅
E_k = hf – hf₀
E_k = h (f-f₀)

Keterangan:

f = Frekuensi foton (Hz)
f₀ = Frekuensi ambang (Hz
h = Konstanta Planck (Js)
∅ = Fungsi kerja (eV)

Baca juga yuk beberapa materi lain:
1. Hukum Archimedes
2. Hukum Newton
3. Besaran Pokok dan Turunan

Percobaan Efek Fotolistrik

Sebuah percobaan dilakukan dengan menembakkan berkas cahaya ke sebuah plat logam E yang ada pada selubung gelas (percobaan ini dilakukan dengan keadaan yang terkondisi).

Ada plat logam lain (plat C) yang disimpan sejajar guna menangkap elektron yang keluar dari plat E. Plat E dan plat C sama-sama terhubung dengan sirkuit yang memiliki amperemeter untuk melihat aliran elektron dari plat E menuju plat C.

Ketika nilai voltase tinggi maka besar arus yang terlihat memiliki nilai maksimal dan besar arus tersebut tidak bertambah naik.

Besar arus maksimum bisa bertambah apabila intensitas cahaya ditingkatkan. Hal tersebut dapat terjadi sebab semakin tinggi intensitas cahaya yang ditembakkan maka elektron yang keluar dari plat logam juga akan semakin banyak.

Saat besar beda potensial makin mengecil dan nilainya minum maka tidak ada arus yang mengalir artinya tidak ada fotoelektron yang mengalir dari plat E ke plat C. Potensial V0 juga dikatakan sebagai potensial henti.

Berdasarkan percobaan yang dilakukan, ternyata nilai beda potensial tidak bergantung dengan intensitas cahaya yang diberikan. Namun, bergantung pada banyaknya muatan fotoelektron yang keluar dari plat.

Aplikasi Efek Fotolistrik

Dari dulu hingga sekarang fotolistrik telah diaplikasikan dalam beberapa hal. Contoh dari aplikasi fotolistrik, yaitu:

1. Keping Film

Ternyata, pengaplikasian efek fotolistrik pertama ada di dunia hiburan. Dubbing film direkam dalam bentuk sinyal optik pada pinggiran keping film menggunakan peralatan elektronik yang ada.

Ketika film diputar maka sinyal tersebut akan dibaca menggunakan proses fotolistrik dan sinyal listriknya kemudian diperkuat memakai amplifier tabung, sehingga film bisa menghasilkan suara.

2. Photomultiplier Tube

Di kalangan akademis, aplikasi yang paling populer dari fotolistrik adalah tabung foto-pengganda atau photomultiplier tube. Ketika tabung ini dipakai maka hampir semua spektrum radiasi elektromagnetik bisa diamati.

Tabung tersebut mempunyai efisiensi yang sangat tinggi dan mampu mendeteksi foton tunggal. Kelompok peneliti

Super-Kamiokande di Jepang berhasil meneliti massa neutrino menggunakan tabung tersebut.

Selain itu, efek eksternal juga bisa digunakan untuk tujuan spektroskopi menggunakan peralatan yaitu PES atau photoelectron spectroscopy.

3. Fotodioda

Sementara itu, aplikasi dari efek internal lebih dikenal oleh masyarakat luas Misalnya, fototransistor atau fotodioda yang berguna sebagai sensor cahaya dengan kecepatan tinggi.

Dalam komunikasi serat optik transmisi sebesar 40 GB per detik masih bisa dibaca menggunakan fotodioda.

4. Sel Surya

Salah satu pemanfaatan yang sudah dikenal adalah penggunaan sel surya yang mampu mengubah energi matahari menjadi energi listrik. Sebuah semikonduktor yang diberi sinar dari cahaya tampak akan memisahkan hole dengan elektron.

Kelebihan elektron yang berada pada satu sisi disertai dengan kelebihan hole pada sisi lainnya akan menimbulkan beda potensial yang apabila dialirkan ke arah beban akan menghasilkan arus listrik.

5. Kamera CCD

Kamera pada ponsel juga sudah dilengkapi dengan kamera CCD atau charge coupled device.

Contohnya, kamera pada smartphone, kamera dengan resolusi mencapai 12 megapiksel, serta pemindai kode batang atau barcode yang banyak digunakan di tempat belanja.

Hal tersebut merupakan aplikasi dari efek internal yang bisa mengubah citra yang diinginkan menjadi sebuah data elektronik yang dapat diproses menggunakan komputer.

Contoh Soal Efek Fotolistrik

Agar pemahaman mengenai fotolistrik lebih mudah, berikut terdapat contoh mengenai fotolistrik. Sebuah permukaan logam aluminium diterangi oleh cahaya yang memiliki panjang gelombang 200nm.

Berapa energi kinetik maksimum yang dikeluarkan oleh fotoelektron? Tentukan panjang gelombang ambang untuk aluminium!

Pembahasan:

Berikut merupakan beberapa nilai fungsi dari logam:

Diketahui bahwa besar fungsi kerja alumunium yaitu 4,08 eV.

Ternyata fotolistrik telah banyak dimanfaatkan dalam kehidupan manusia. Bukan hal yang tidak mungkin, apabila di masa depan akan ada banyak penerapan peristiwa fotolistrik yang dapat membantu berbagai kebutuhan.

Itulah merupakan pembahasan lengkap dari kami dosenmuda.id tentunya harus kamu pahami dengan baik ya, selamat belajar dan mengerjakan. Jangan lupa juga kalau mau belajar tentang efek doppler ya!

Originally posted 2022-01-14 12:00:01.