Efek Fotolistrik Dualisme Gelombang Cahaya

Fisika SMAMA XII 226 Gambar 7.4 menggambarkan skema alat yang diguna- kan Einstein untuk mengadakan percobaan. Alat tersebut ter- diri atas tabung hampa udara yang dilengkapi dengan dua elektroda A dan B dan dihubungkan dengan sumber tegangan arus searah DC. Pada saat alat tersebut dibawa ke dalam ruang gelap, maka amperemeter tidak menunjukkan adanya arus listrik. Akan tetapi pada saat permukaan Katoda A dijatuhkan sinar amperemeter menunjukkan adanya arus listrik. Hal ini menunjukkan adanya aliran arus listrik. Aliran arus ini terjadi karena adanya elektron yang terlepas dari permukaan yang selanjutnya disebut elektron foto A bergerak menuju B. Apabila tegangan baterai diperkecil sedikit demi sedikit, ternyata arus listrik juga semakin mengecil dan jika tegangan terus diperkecil sampai nilainya negatif, ternyata pada saat tegangan mencapai nilai tertentu -V o , amperemeter menunjuk angka nol yang berarti tidak ada arus listrik yang mengalir atau tidak ada elektron yang keluar dari keping A. Potensial V o ini disebut potensial henti, yang nilainya tidak tergantung pada intensitas cahaya yang dijatuhkan. Hal ini menunjukkan bahwa energi kinetik maksimum elektron yang keluar dari permukaan adalah sebesar: Ek = mv 2 = e Vo .... 7.4 dengan : Ek = energi kinetik elektron foto J atau eV m = massa elektron kg v = kecepatan elektron ms e = muatan elektron C Vo = potensial henti volt Berdasarkan hasil percobaan ini ternyata tidak semua cahaya foton yang dijatuhkan pada keping akan menimbulkan efek fotolistrik. Efek fotolistrik akan timbul jika frekuensinya lebih besar dari frekuensi tertentu. Demikian juga frekuensi minimal yang mampu menimbulkan efek fotolistrik ter- gantung pada jenis logam yang dipakai. Selanjutnya, marilah kita pelajari bagaimana pandangan teori gelombang dan teori kuantum foton untuk menjelas- kan peristiwa efek fotolistrik ini. Dalam teori gelombang ada dua besaran yang sangat penting, yaitu frekuensi panjang gelombang dan intensitas. Gambar 7.5 Grafik hubungan antara intensitas dengan potensial henti Arus I 2 I 1 –V o V 227 Fisika SMAMA XII Ternyata teori gelombang gagal menjelaskan tentang sifat- sifat penting yang terjadi pada efek fotolistrik, antara lain : a. Menurut teori gelombang, energi kinetik elektron foto harus bertambah besar jika intensitas foton diperbesar. Akan tetapi kenyataan menunjukkan bahwa energi kinetik elektron foto tidak tergantung pada intensitas foton yang dijatuhkan. b. Menurut teori gelombang, efek fotolistrik dapat terjadi pada sembarang frekuensi, asal intensitasnya memenuhi. Akan tetapi kenyataannya efek fotolistrik baru akan terjadi jika frekuensi melebihi harga tertentu dan untuk logam tertentu dibutuhkan frekuensi minimal yang tertentu agar dapat timbul elektron foto. c. Menurut teori gelombang diperlukan waktu yang cukup untuk melepaskan elektron dari permukaan logam. Akan tetapi kenyataannya elektron terlepas dari permukaan logam dalam waktu singkat spontan dalam waktu kurang 10 -9 sekon setelah waktu penyinaran. d. Teori gelombang tidak dapat menjelaskan mengapa energi kinetik maksimum elektron foto bertambah jika frekuensi foton yang dijatuhkan diperbesar. Teori kuantum mampu menjelaskan peristiwa ini karena menurut teori kuantum bahwa foton memiliki energi yang sama, yaitu sebesar hf, sehingga menaikkan intensitas foton berarti hanya menambah banyaknya foton, tidak menambah energi foton selama frekuensi foton tetap. Menurut Einstein energi yang dibawa foton adalah dalam bentuk paket, sehingga energi ini jika diberikan pada elektron akan diberikan seluruhnya, sehingga foton tersebut lenyap. Oleh karena elektron terikat pada energi ikat tertentu, maka diperlukan energi minimal sebesar energi ikat elektron tersebut. Besarnya energi minimal yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari energi ikatnya disebut fungsi kerja W o atau energi ambang. Besarnya W o tergantung pada jenis logam yang digunakan. Apabila energi foton yang diberikan pada elektron lebih besar dari fungsi kerjanya, maka kelebihan energi tersebut akan berubah menjadi energi kinetik elektron. Akan tetapi jika energi foton lebih kecil dari energi ambangnya hf W o tidak akan menyebabkan elektron foto. Frekuensi foton terkecil yang mampu menimbulkan elektron foto disebut frekuensi ambang. Sebaliknya panjang gelombang terbesar yang mampu menimbulkan elektron foto disebut panjang gelombang ambang. Sehingga hubungan antara energi foton, fungsi kerja dan energi kinetik elektron foto dapat dinyatakan dalam persamaan : Fisika SMAMA XII 228 E = W o + Ek atau Ek = E – W o sehingga Ek = hf – hfo = h f – fo .... 7.5 dengan : Ek = energi kinetik maksimum elek- tron foto h = konstanta Planck f = frekuensi foton fo = frekuensi ambang Ek 0 f o f Gambar 7.6 Grafik hubungan antara Ek dengan f Contoh Soal Sebuah logam mempunyai frekuensi ambang 4 x 10 14 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 : f o = 4 × 10 14 Hz Ek = 19,86 × 10 -20 J h = 6,62 × 10 -34 Js Ditanyakan : f = ...? Jawab : W o = hf o = 6,62 × 10 -34 × 4 × 10 14 J = 26,48 × 10 -20 J E = Ek + W o = hf f = = = = 7 × 10 14 Hz Jadi frekuensi foton sebesar 7 × 10 14 Hz 229 Fisika SMAMA XII Soal Latihan : 1. Frekuensi ambang suatu logam adalah 6.10 14 Hz, jika logam tersebut disinari cahaya dengan gelombang yang frekuensinya 10 15 Hz. Hitunglah energi kinetik elektron 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 × 10 8 ms a. fungsi kerja logam tersebut. W o = 3,972 × 10 -19 J b. energi kinetik elektron foto yang terlepas jika disinari cahaya dengan frekuensi 8 x 10 14 Hz Ek = 1,324 × 10 -19 J 3. 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 elektron m = 9,1 × 10 -31 kg, muatan elektron e = 1,6 × 10 -19 C, dan h = 6,62 × 10 -34 Js Peristiwa yang sangat menarik dalam radiasi benda hitam yaitu saat Einstein mengemukakan terjadinya efek fotolistrik, yang membuktikan bahwa cahaya merupakan pancaran paket-paket energi yang disebut foton. Salah satu contoh penerapan terjadinya efek fotolistrik yaitu pada alat fluksmeter yaitu suatu alat yang digunakan untuk mengukur intensitas cahaya dalam suatu ruangan. Cobalah terangkan bagaimana prinsip kerja dari fluksmeter tersebut lengkap dengan skema gambar rangkaiannya? Carilah informasi dari internet atau sumber-sumber referensi yang lain mendukung.

C. Efek Compton

Menurut teori kuantum cahaya, foton berlaku sebagai partikel, hanya foton tidak memiliki massa diam. Jika pendapat ini benar, maka berdasarkan peristiwa efek fotolistrik yang dikemukakan oleh Einstein, Arthur Holy Compton pada tahun 1923 telah mengamati gejala-gejala tumbukan antara foton yang berasal dari sinar X dengan elektron. Compton mengamati hamburan foton dari sinar X oleh elektron dapat diterangkan dengan menganggap bahwa foton seperti partikel dengan energi hf dan momentum hfc cocok seperti Wawasan Produktivitas : Etos Kerja Fisika SMAMA XII 230 yang diusulkan oleh Einstein. Percobaan Compton cukup sederhana yaitu sinar X monokromatik sinar X yang memiliki panjang gelombang tunggal dikenakan pada keping tipis berilium sebagai sasarannya. Kemudian untuk mengamati foton dari sinar X dan elektron yang terhambur dipasang detektor. Sinar X yang telah menumbuk elektron akan kehilangan sebagian energinya yang kemudian terhambur dengan sudut hamburan sebesar θ terhadap arah semula. Berdasarkan hasil pengamatan ternyata sinar X yang ter- hambur memiliki panjang gelombang yang lebih besar dari panjang gelombang sinar X semula. Hal ini dikarenakan sebagian energinya terserap oleh elektron. Jika energi foton sinar X mula-mula hf dan energi foton sinar X yang terhambur menjadi hf – hf’ dalam hal ini f f’, sedangkan panjang gelombang yang terhambur menjadi tambah besar yaitu λ λ′. Dengan menggunakan hukum ke- kekalan momentum dan kekekalan energi Compton berhasil menunjukkan bahwa perubahan panjang gelombang foton terhambur dengan panjang gelombang semula, yang memenuhi persamaan : .... 7.6 dengan λ = panjang gelombang sinar X sebelum tumbukan m λ′ = panjang gelombang sinar X setelah tumbukan m h = konstanta Planck 6,625 × 10 -34 Js m o = massa diam elektron 9,1 × 10 -31 kg c = kecepatan cahaya 3 × 10 8 ms -1 θ = sudut hamburan sinar X terhadap arah semula derajat atau radian Besaran sering disebut dengan panjang gelombang Compton. Jadi jelaslah sudah bahwa dengan hasil pengamatan Compton tentang hamburan foton dari sinar X menunjukkan bahwa foton dapat dipandang sebagai partikel, sehingga mem- perkuat teori kuantum yang mengatakan bahwa cahaya mem- punyai dua sifat, yaitu cahaya dapat sebagai gelombang dan cahaya dapat bersifat sebagai partikel yang sering disebut sebagai dualime gelombang cahaya. θ Foton terhambur Elektron terhambur Foton datang Elektron diam hf ′ hf Gambar 7.7 Skema percobaan Compton untuk menyelidiki tumbukan foton dan elektron