Efek Fotolistrik: Definisi, Persamaan & Eksperimen

Segala sesuatu yang dipelajari dalam fisika klasik diputarbalikkan saat fisikawan menjelajahi alam yang semakin kecil dan menemukan efek kuantum. Di antara yang pertama dari penemuan ini adalah efek fotolistrik. Pada awal 1900-an, hasil efek ini gagal menyamai prediksi klasik dan hanya dapat dijelaskan dengan teori kuantum, membuka dunia baru bagi fisikawan.

Saat ini, efek fotolistrik juga memiliki banyak aplikasi praktis. Dari pencitraan medis hingga produksi energi bersih, penemuan dan penerapan efek ini sekarang memiliki implikasi yang lebih dari sekadar pemahaman sains.

Ketika cahaya, atau radiasi elektromagnetik, mengenai bahan seperti permukaan logam, bahan itu terkadang memancarkan elektron, yang disebutfotoelektron. Ini pada dasarnya karena atom dalam material menyerap radiasi sebagai energi. Elektron dalam atom menyerap radiasi dengan melompat ke tingkat energi yang lebih tinggi. Jika energi yang diserap cukup tinggi, elektron meninggalkan atom asalnya sepenuhnya.

Proses ini terkadang juga disebut alsoemisi fotokarena foton insiden (nama lain untuk partikel cahaya) adalah penyebab langsung dari emisi elektron. Karena elektron memiliki muatan negatif, pelat logam dari mana mereka dipancarkan dibiarkan terionisasi.

Apa yang paling istimewa tentang efek fotolistrik, bagaimanapun, adalah bahwa hal itu tidak mengikuti prediksi klasik. Cara elektron dipancarkan, jumlah yang dipancarkan dan bagaimana ini berubah dengan intensitas cahaya semua membuat para ilmuwan menggaruk-garuk kepala pada awalnya.

Prediksi asli mengenai hasil efek fotolistrik yang dibuat dari fisika klasik adalah sebagai berikut:

1. Transfer energi dari radiasi datang ke elektron. Diasumsikan bahwa energi apa pun yang terjadi pada material akan langsung diserap oleh elektron dalam atom, terlepas dari panjang gelombangnya. Ini masuk akal dalam paradigma mekanika klasik: Apa pun yang Anda tuangkan ke dalam ember mengisi ember dengan jumlah itu.
2. Perubahan intensitas cahaya harus menghasilkan perubahan energi kinetik elektron. Jika diasumsikan bahwa elektron menyerap radiasi apa pun yang menimpanya, maka lebih banyak radiasi yang sama akan memberi mereka lebih banyak energi. Begitu elektron meninggalkan ikatan atomnya, energi itu terlihat dalam bentuk energi kinetik.
3. Cahaya dengan intensitas sangat rendah akan menghasilkan jeda waktu antara penyerapan cahaya dan emisi elektron. Ini karena diasumsikan bahwa elektron harus memperoleh energi yang cukup untuk meninggalkan atom asalnya, dan cahaya berintensitas rendah seperti menambahkan energi ke "ember" energi mereka lebih lambat. Dibutuhkan lebih lama untuk mengisi, dan karenanya harus memakan waktu lebih lama sebelum elektron memiliki energi yang cukup untuk dipancarkan.

Hasil sebenarnya sama sekali tidak konsisten dengan prediksi. Ini termasuk yang berikut:

1. Elektron dilepaskan hanya ketika cahaya datang mencapai atau melampaui frekuensi ambang. Tidak ada emisi yang terjadi di bawah frekuensi tersebut. Tidak masalah apakah intensitasnya tinggi atau rendah. Untuk beberapa alasan, frekuensi, atau panjang gelombang cahaya itu sendiri, jauh lebih penting.
2. Perubahan intensitas tidak menghasilkan perubahan energi kinetik elektron. Mereka hanya mengubah jumlah elektron yang dipancarkan. Setelah frekuensi ambang tercapai, peningkatan intensitas tidak menambah lebih banyak energi untuk setiap elektron yang dipancarkan sama sekali. Sebaliknya, mereka semua berakhir dengan energi kinetik yang sama; hanya ada lebih dari mereka.
3. Tidak ada jeda waktu pada intensitas rendah. Tampaknya tidak ada waktu yang diperlukan untuk "mengisi ember energi" dari elektron tertentu. Jika sebuah elektron akan dipancarkan, ia segera dipancarkan. Intensitas yang lebih rendah tidak berpengaruh pada energi kinetik atau jeda waktu; itu hanya menghasilkan lebih sedikit elektron yang dipancarkan.

Satu-satunya cara untuk menjelaskan fenomena ini adalah dengan menggunakan mekanika kuantum. Pikirkan seberkas cahaya bukan sebagai gelombang, tetapi sebagai kumpulan paket gelombang diskrit yang disebut foton. Semua foton memiliki nilai energi yang berbeda yang sesuai dengan frekuensi dan panjang gelombang cahaya, seperti yang dijelaskan oleh dualitas gelombang-partikel.

Selain itu, pertimbangkan bahwa elektron hanya dapat melompat di antara keadaan energi diskrit. Mereka hanya dapat memiliki nilai energi tertentu, tetapi tidak pernah memiliki nilai di antaranya. Sekarang fenomena yang diamati dapat dijelaskan sebagai berikut:

1. Elektron dilepaskan hanya ketika mereka menyerap nilai energi yang cukup spesifik. Setiap elektron yang mendapat paket energi yang tepat (energi foton) akan dilepaskan. Tidak ada yang dilepaskan jika frekuensi cahaya datang terlalu rendah terlepas dari intensitasnya karena tidak ada paket energi yang cukup besar secara individual.
2. Setelah frekuensi ambang terlampaui, peningkatan intensitas hanya meningkatkan jumlah elektron dilepaskan dan bukan energi elektron itu sendiri karena setiap elektron yang dipancarkan menyerap satu diskrit foton. Intensitas yang lebih besar berarti lebih banyak foton, dan karenanya lebih banyak fotoelektron.
3. Tidak ada waktu tunda bahkan pada intensitas rendah selama frekuensinya cukup tinggi karena begitu elektron mendapatkan paket energi yang tepat, ia akan dilepaskan. Intensitas rendah hanya menghasilkan lebih sedikit elektron.

Salah satu konsep penting yang berkaitan dengan efek fotolistrik adalah fungsi kerja. Juga dikenal sebagai energi ikat elektron, ini adalah energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari padatan.

Rumus untuk fungsi kerja diberikan oleh:

Dimana-eadalah muatan elektron,ϕadalah potensial elektrostatik dalam ruang hampa di dekat permukaan danEadalah tingkat Fermi elektron dalam materi.

Potensial elektrostatik diukur dalam volt dan merupakan ukuran energi potensial listrik per satuan muatan. Oleh karena itu istilah pertama dalam ekspresi,-eϕ, adalah energi potensial listrik elektron di dekat permukaan material.

Tingkat Fermi dapat dianggap sebagai energi elektron terluar ketika atom berada dalam keadaan dasarnya.

Terkait erat dengan fungsi kerja adalah frekuensi ambang batas. Ini adalah frekuensi minimum di mana foton insiden akan menyebabkan emisi elektron. Frekuensi berhubungan langsung dengan energi (frekuensi yang lebih tinggi sesuai dengan energi yang lebih tinggi), maka mengapa frekuensi minimum harus dicapai.

Di atas frekuensi ambang, energi kinetik elektron tergantung pada frekuensi dan bukan intensitas cahaya. Pada dasarnya energi foton tunggal akan ditransfer seluruhnya ke elektron tunggal. Sejumlah energi itu digunakan untuk mengeluarkan elektron, dan sisanya adalah energi kinetiknya. Sekali lagi, intensitas yang lebih besar hanya berarti lebih banyak elektron akan dipancarkan, bukan berarti yang dipancarkan akan memiliki lebih banyak energi.

Energi kinetik maksimum elektron yang dipancarkan dapat ditemukan melalui persamaan berikut:

DimanaK_maksimaladalah energi kinetik maksimum fotoelektron,hadalah konstanta Planck = 6,62607004 ×10^-34 saya²kg/s,fadalah frekuensi cahaya danf₀adalah frekuensi ambang.

Anda dapat menganggap penemuan efek fotolistrik terjadi dalam dua tahap. Pertama, penemuan emisi fotoelektron dari bahan tertentu sebagai akibat dari cahaya datang, dan kedua, penentuan bahwa efek ini sama sekali tidak mematuhi fisika klasik, yang menyebabkan banyak dasar penting dari pemahaman kita tentang kuantum mekanika.

Heinrich Hertz pertama kali mengamati efek fotolistrik pada tahun 1887 saat melakukan eksperimen dengan generator celah percikan. Setup melibatkan dua pasang bola logam. Percikan yang dihasilkan di antara set bola pertama akan menyebabkan percikan melompat di antara set kedua, sehingga bertindak sebagai transduser dan penerima. Hertz mampu meningkatkan sensitivitas pengaturan dengan menyinarinya. Bertahun-tahun kemudian, J.J. Thompson menemukan bahwa peningkatan sensitivitas dihasilkan dari cahaya yang menyebabkan elektron dikeluarkan.

Sementara asisten Hertz, Phillip Lenard, menetapkan bahwa intensitas tidak mempengaruhi energi kinetik fotoelektron, Robert Millikan-lah yang menemukan frekuensi ambang. Kemudian, Einstein mampu menjelaskan fenomena aneh dengan mengasumsikan kuantisasi energi.

Albert Einstein dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1921 untuk penemuannya tentang hukum fotolistrik efek, dan Millikan memenangkan Hadiah Nobel pada tahun 1923 juga untuk pekerjaan yang berkaitan dengan pemahaman fotolistrik efek.

Efek fotolistrik memiliki banyak kegunaan. Salah satunya adalah memungkinkan para ilmuwan untuk menyelidiki tingkat energi elektron dalam materi dengan menentukan frekuensi ambang di mana cahaya datang menyebabkan emisi. Tabung photomultiplier yang menggunakan efek ini juga digunakan pada kamera televisi yang lebih tua.

Aplikasi efek fotolistrik yang sangat berguna adalah dalam konstruksi panel surya. Panel surya adalah susunan sel fotovoltaik, yang merupakan sel yang memanfaatkan elektron yang dikeluarkan dari logam oleh radiasi matahari untuk menghasilkan arus. Pada 2018, hampir 3 persen energi dunia dihasilkan oleh panel surya, tetapi jumlah ini diperkirakan akan tumbuh pesat selama beberapa tahun ke depan, terutama karena efisiensi panel tersebut meningkat.

Tetapi yang paling penting dari semuanya, penemuan dan pemahaman tentang efek fotolistrik meletakkan dasar bagi bidang mekanika kuantum dan pemahaman yang lebih baik tentang sifat cahaya.

Ada banyak eksperimen yang dapat dilakukan di laboratorium fisika pengantar untuk mendemonstrasikan efek fotolistrik. Beberapa di antaranya lebih rumit daripada yang lain.

Eksperimen sederhana menunjukkan efek fotolistrik dengan elektroskop dan lampu UV-C yang memberikan sinar ultraviolet. Tempatkan muatan negatif pada elektroskop sehingga jarum membelok. Kemudian, nyalakan lampu UV-C. Cahaya dari lampu akan melepaskan elektron dari elektroskop dan melepaskannya. Anda dapat mengetahui ini terjadi dengan melihat defleksi jarum berkurang. Namun, perhatikan bahwa jika Anda mencoba eksperimen yang sama dengan elektroskop bermuatan positif, itu tidak akan berhasil.

Ada banyak cara lain yang mungkin untuk bereksperimen dengan efek fotolistrik. Beberapa pengaturan melibatkan fotosel yang terdiri dari anoda besar yang, ketika terkena cahaya datang, akan melepaskan elektron yang diambil oleh katoda. Jika pengaturan ini dihubungkan ke voltmeter, misalnya, efek fotolistrik akan menjadi jelas ketika menyinari cahaya menciptakan tegangan.

Pengaturan yang lebih kompleks memungkinkan pengukuran yang lebih akurat dan bahkan memungkinkan Anda menentukan fungsi kerja dan frekuensi ambang batas untuk bahan yang berbeda. Lihat bagian Sumber Daya untuk tautan.