Efek fotolistrik (fotoelektrik)

Pada efek elekrelektrik, permukaan sebuah logam disinari dengan seberkas cahaya dan sejumlah elektron terpancar dari permukaannya. Dalam studi eksperimentral terhadap efek fotoelektrik, kita mengukur bagaimana laju dan energi kinetik elektron yang terpancar bergantung pada intensitas dan panjang gelombang sumber cahaya. Percobaan ini harus dilakukan dalam ruang hampa, agar elektron tidak kehilangan energinya karena bertumbukan dengan molekul-molekul udara.

Susunan percobaan ini diperlihatkan pada gambar 1. laju pancaran elektron diukur sebagai arus listrik pada rangkaian luar dengan menggunakan sebuah ammeter, sedangkan energi kinetiknya ditentukan dengan mengenakan sesuatu potensial perlambat (retarding potential) pada anoda sehingga elektron tidak mempunyai energi yang cukup untuk “memanjati” bukit potensial yang terpasang.

GAMBAR 1. peralatan untuk mengamati efek fotoelektrik. Cahaya yang menyinari permukaan logam (katoda) menyebabkan elektron terpental keluar. Ketika elektron bergerak menuju anoda, pada rangkaian luar terjadi arus elektrik yang diukur dengan ammeter A.

Secara eksperiment, tegangan perlambat terus diperbesar hingga pembacaan arus pada ammeter manurun ke nol. Tegangan yang bersangkutan ini disebut potensial henti (stopping potential) Vs. Karena elektron yang berenergi tertinggi tidak dapat melewati potensial henti ini, maka pengukuran Vs merupakan suatu cara untuk menentukan energi kinetik maksimum elektron K_maks:

                   K_maks = e V_s                                                            ...(1)
E adalah muatan elektron dan nilai khas Vs adalam dalam orde beberapa volt. Dari berbagai percobaan ini, kita pelajari fakta-fakta terinci efek fotoelektrik berikut:

1. Laju pemancara elektron bergantung pada intensitas cahaya.
2. Laju pemancaran elektron tak bergantung pada panjang gelombangcahay di bawah suatu panjang gelombang tertentu; di atas itu arus secara berangsur-angsur menurun hingga menjadi nol pada suatu panjang gelombang terpancar (cutoff wavelenght) λc. Panjang gelombang λc, ini biasanya terdapat pada spektrum daerah biru dan ultraviolet.
3. Nilai λc tidak bergantung pada intensitas sumber cahaya, tetapi hanya bergantung pada jenis logam yang digunakan sebagai permukaan fotosensitif. Di bawah λc, sembarang sumber cahaya selemah apapun akan menyebabkan terjadinya pemancaran fotoelektron; di atas λc tidak satu pun cahaya sekuat apapun dapat menyebabkan terjadinya pemancaran fotoelektron.
4. Energi kinetik maksimum elektron yang dipancarkan tidak bergantung pada intensitas cahaya tetapi hanyalah bergantung pada panjang gelombang; energi kinetik ini didapati bertambah secara linear terhadap frekuensi sumber cahaya.
5. Apabila sumber cahaya dinyalakan, arus segera akan mengalir dalam selang waktu 10^-9 s.

Marilah kita perhatikan terlebih dahulu bagaimana analisis teori gelombang cahaya gagal menjelaskan fakta-fakta efek fotoelektrik ini. Manurut teori gelombang cahaya, sebuah atom akan menyerap energi dari gelombang elektromagnet datang yang sebanding dengan luasnya yang menghadap ke gelombang datang. Dan sebagai tanggapan, terhadap medan elektrik gelombang elektron atom akan bergetar hingga tercapai cukup energi untuk melepaskan dari sebuah elektron dari ikatan dengan atomnya. Penambahan kecermelangan sumber cahaya memperbesar laju penyerapan energi, karena medan elektriknya bertambah, sehingga laju pemancaran elektron juga akan bertambah yang sesuai dengan hasil pengamatan percobaan. Tetapi, penyerapan ini terjadi pada semua panjang gelombang, sehingga keberadaan panjang pancung sama sekali bertentangan dengan gambaran gelombang cahaya. Pada panjang gelombang yang lebih besar dari pada λc, teori gelombang mengatakan bahwa seharusnya masih mungkin bagi suatu gelombang elektromagnet memberikan energi yang cukup guna melepaskan elektron.

Kiat dapat menaksir secara kasar waktu yang diperlukan sebuah atom untuk menyerap energi secukupnya guna melepaskan sebuah elektron. Sebagai sumber cahaya kita pilih sebuah laser berintensitas sedang, seperti laser helium-neon yang mungkin telah anda lihat dalam laboratorium. Keluaran daya yang dihasilkan laser seperti ini, paling tinggi 10^-3 W, yang penampang berkasnya terbatasi pada luas sekitar beberapa milimeter persegi (10^-5 m²). Diameter khas atom adalah dalam orde 10^-10 m, jadi luasnya dalam orde 10^-20 m². Karena itu, fraksi intensitas sinar laser yang jatuh pada atom adalah sekitar 10^-20 m²/10^-5 m² 10^-18 W = 10^-18 J/s  6 eV/s daya yang dapat diserap atom, dan untuk menyerap energi beberapa eV diperlukan waktu sekitar satu detik. Dengan demikian, menurut teori gelombang cahaya, kita memperkirakan tidak akan melihat fotoelektron terpancarkan hingga beberapa detik setelah sumber cahaya dinyatakan; dalam praktek kita dapati bahwa berkas fotoelektron pertama dipancarkan dalam selang waktu 10^-9 s. Dengan demikian, teori gelombang cahaya gagal meramalkan keberadaan panjang gelombang pancung dalam waktu tunda (delay time) yang teramati dalam percobaan.

Teori efek fotoelektrik yang benar barulah dikemukakan Eisntein pada tahun 1905. Teorinya didasarkan pada gagasan Planck tentang kuantuk energi, ttetapi ia mengembangkannya satu langkah lebih kedepan. Einstein menganggap bahwa kuatum energi bukanlah sifat istimewa dari atom-atom dinding rongga radiator, tetapi merupakan sifat radiasi itu sendiri. Energi radiasi elektromagnet bukannya diserap dalam bentuk aliran kontinue gelombang, melainkan dalam buntelan diskret kecil atau kuanta, yang disebut foton. Sebuah foton adalah satu kuantum energi elektromagnet yang diserap atau dipancarkan dan sejalan dengan usulan Planck, tiap-tiap foton dari radiasi berfrekuensi v memiliki energi:

                     E = h v                                                         ... (2)

dimana h adalah tetapan Planck. Dengan demikian, foton-foton berfrekuensi tinggi memiliki energi yang lebih besar. Energi foton cahaya biru lebih besar daripada energi foton cahaya merah. Karena suatu gelombang elektromagnet klasik berenergi U memiliki momentum p= U/c, maka foton haruslah pula memiliki momentum, dan sejalan dengan rumusan klasik, momentum sebuah atom berenergi E adalah:

                                  p = E/c                                                        ...(3)

dan haruslah berlaku bahwa m_o =  0 bagi sebuah foton. Sebuah foton dengan demikian berperilaku sebagai sebuah “partikel” tanpa massa diam. Tentu saja, Einstein menganggapnya benar pada awal teorinya’ teori relativitas khusus tidak memperkenankan kita “menyusul” sebuah berkas cahaya, karena itu gerak foton tidak pernah dapat dihentikan. m_o haruslah nol bagi sebuah foton atau sebarang partikel yang bergerak dengan laju cahaya karena bila tidak demikian, energi mc² akan menjadi tak hingga.

Dengan menggabungkan persamaan (2) dan (3) kita didapati hubungan langsung berrikut antara panjang gelombang dan momentum foton:
                                p= h/λ                                                             ...(4)

Teori Eisntein segera terbukti dapat menjelaskan semua fakta efek fotoelektrik yang diamati. Andaikanlah kita menganggap bahwa sebuah elektron terikat dalam logam denganenergi W, yang kenal sebagai fungsi kerja (work function). Logam yang berbeda memiliki fungsi kerja yang berbeda pula; salah satu contoh daftarnya diperlihatkan pada tabel 3.1. untuk mengeluarkan sebuah elektron dari permukaan.

                             Tabel 3.1 Beberapa fungsi kerja fotoelektrik

Bahan W (eV)	Bahan W (eV)
Na	2,28
Al	4,08
Co	3,90
Cu	4,70
Zn	4,31
Ag	4,73
Pt	6,35
Pb	4,14

Suatu logam, kita harus memasok energi sekurang-kurangnya sebesar W. Jiha hv < W, tidak terjadi efek fotoelektrik; jika hv > W, maka elektron akan terpental keluar dan kelebihan energi yang dipasok berubah menjadi energi kinetiknya. Energi kinetik maksimum K _maks yang dimiliki elektron yang terpental keluar dari permukaan logam adalah:

                                     K_maks  =h v - W                                    ... (5)

Untuk elektron yang berada jauh di bawah permukaan logam, dibutuhkan energi yang lebih besar daripada W dan beberapa diantaranya keluar dengan energi kinetik yang lebih rendah.

Sebuah foton yang memasok energi sebesar W, yang adalah tepat dengan energi yang dibutuhkan untuk melepaskan sebuah elektron, berkaitan dengan cahaya yang panjang gelombangnya sama dengan panjang gelombang pancung λc. Pada panjang gelombang ini, tidak ada kelebihan energi yang tersisa bagi energi kinetik fotoelektron, sehingga persamaan tersederhanakan menjadi

                                                                                     (6)
dan dengan demikian
                                                                                               (7)

Karena kita memperoleh satu fotoelektron untuk setiap foton yang terserap, maka kenaikan intensitas sumber cahaya akan berakibat semakin banyak fotoelektron yang dipancarkan, namun demikian semua fotoelektron ini akan memiliki energi kinetik yang sama, karena semua foton memiliki energi yang sama.

Terakhir, waktu tunda sebelum terjadi pemancaran fotoelektron diperkirakan singkat begitu foton pertama diserap, arus fotoelektrik akan mulai mengalir.

Jadi, semua fakta eksperimen efek fotoelektrik sesuai dengan perilaku kuantum dari radiasi elektromagnet. Robert Millikan memberikan bukti yang lebih menyaakinkan tentang kesesuaian ini dalam serangkaian percobaan yang dilakukannya diperlihatkan pada tahun 1915. Salah satu cuplikannya dari hasil percobaannya diperlihatkan pada gambar 2. dari kemiringan garisnya, yang tidak lain adalah rajahan persamaan (5), diperoleh tetapan Planck:

 h = 6,57 x 10^-34J.s

GAMBAR 2. Hasil percobaan Millikan untuk efek fotoelektrik pada natrium. Kemiringan garisnya adalah h/e; penentuan eksperimental dari kemiringan ini memberikan suatu cara untuk menentukan tetapan Planck. Perpotongannya dengan sumbu datar memberikan frekuensi pancung; tetapi, pada saat Millikan melakukan percobaannya, potensial kontak elektroda-elektroda tidak diketahui secara tepat sehingga skala vertikal tergeser beberapa persepuluh volt. Kemiringan kurva tak terpengruh oleh koreksi ini.

Posted in: materi fisika