Efek fotolistrik
Sinari sebuah permukaan logam dengan cahaya, dan dalam kondisi yang tepat, permukaan itu akan melontarkan elektron — sebuah hasil yang sangat aneh ketika fisika klasik mencoba menjelaskannya. Teori gelombang abad kesembilan belas memprediksi bahwa cahaya yang lebih redup seharusnya tetap melepaskan elektron, hanya lebih lambat, asalkan ada cukup waktu untuk mengumpulkan energi. Eksperimen nyata menunjukkan hal sebaliknya: di bawah frekuensi ambang batas tertentu, tidak peduli seberapa besar intensitas atau seberapa lama menunggu, tidak akan menghasilkan satu pun elektron, sementara bahkan cahaya paling redup di atas frekuensi itu langsung melepaskan elektron. Penjelasan Einstein pada tahun 1905 — bahwa cahaya sendiri datang dalam paket-paket energi diskret, yang kemudian disebut foton — memecahkan teka-teki ini dan menjadi salah satu hasil dasar mekanika kuantum, yang membuatnya memenangkan Hadiah Nobel Fisika tahun 1921.
Efek Fotolistrik
Cahaya tidak menabrak logam sebagai gelombang yang halus — ia datang dalam paket-paket kecil yang disebut foton, masing-masing membawa jumlah energi tertentu. Sebuah elektron lepas hanya jika energi satu foton setidaknya sebesar fungsi kerja logam itu, energi yang biasanya menahan elektron di tempatnya. Energi yang tersisa menjadi energi kinetik elektron saat ia terlempar keluar.
Rumus
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — energi kinetik maksimum (eV): energi terbesar yang dibawa pergi oleh elektron yang terlempar
- h — konstanta Planck (eV·s): konstanta sangat kecil yang menghubungkan frekuensi foton dengan energinya
- f — frekuensi (Hz): berapa banyak gelombang cahaya yang datang setiap detik
- φ — fungsi kerja (eV): energi minimum yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron dari logam
Contoh yang diselesaikan
Sebuah foton yang menabrak permukaan natrium membawa energi 3,1 eV. Fungsi kerja natrium adalah 2,1 eV. Berapa energi kinetik maksimum elektron yang terlempar?
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
Uji diri Anda
Sekarang sumber cahaya diganti dengan yang berfrekuensi lebih tinggi, memberikan foton berenergi 3,6 eV ke permukaan natrium yang sama (fungsi kerja tetap 2,1 eV). Berapa energi kinetik maksimum yang baru?
- 5.7 eV
- Jawaban benar: 1.5 eV
- 1.0 eV
Benar! KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV.
Misalkan energi foton hf lebih kecil dari fungsi kerja logam φ. Apa yang terjadi?
- Elektron tetap terlempar tetapi lebih lambat
- Elektron terlempar dengan energi kinetik negatif
- Jawaban benar: Tidak ada elektron yang lepas sama sekali
Benar — di bawah fungsi kerja, satu foton tidak bisa memberikan energi yang cukup, sehingga tidak ada elektron yang lepas betapapun terangnya cahaya itu.
Di mana Anda melihatnya
Panel surya di atap rumah adalah efek ini yang bekerja mencari nafkah: foton-foton cahaya matahari menghantam silikon, masing-masing melepas paling banyak satu elektron, dan elektron-elektron yang terbebas itu mengalir keluar sebagai arus listrik. Lampu jalan pengindra senja dan pintu sel foto model lama bekerja dengan aturan tukar foton-per-elektron yang sama.
Kesalahan umum
Kesalahan klasiknya adalah mengira cahaya yang lebih terang akan melempar elektron keluar dengan lebih keras — intensitas hanya menghasilkan LEBIH BANYAK elektron; energi masing-masing elektron hanya bergantung pada frekuensi fotonnya, melalui KEₘₐₓ = h · f − φ. Dan di bawah frekuensi ambang tidak terjadi apa-apa, betapa pun terang berkasnya: energi kinetik tidak bisa negatif, jadi jika hf lebih kecil daripada fungsi kerja φ, tidak ada elektron yang keluar sama sekali. Di atas ambang batas, kurangkan: foton berenergi 3.6 eV pada natrium (φ = 2.1 eV) melepaskan elektron dengan energi 1.5 eV.
Bagaimana ini terhubung
Inilah retakan pertama pada fisika klasik — cahaya berperilaku sebagai partikel — dan pintu menuju seluruh modul fisika modern: hamburan Compton, di pelajaran berikutnya, menunjukkan bahwa foton-foton itu membawa momentum seperti bola biliar, dan dualitas gelombang-partikel yang berujung pada gelombang materi dimulai tepat di sini.