Lompat ke isi

Efek fotolistrik

Ensiklopedia Pengetahuan Universitas Islam Sultan Agung
Fotoelektrisk effekt3

Efek fotolistrik adalah pengeluaran elektron dari suatu permukaan (biasanya logam) ketika permukaan tersebut dikenai dan menyerap radiasi elektromagnetik (seperti cahaya tampak dan radiasi ultraungu) yang berada di atas frekuensi ambang tertentu tergantung pada jenis permukaannya.[1] Elektron yang dipancarkan dengan cara ini disebut fotoelektron. Fenomena ini dipelajari dalam fisika benda terkondensasi, fisika keadaan padat, dan kimia kuantum untuk menarik kesimpulan mengenai sifat-sifat atom, molekul, dan padatan. Efek ini telah dimanfaatkan dalam perangkat elektronik yang dikhususkan untuk deteksi cahaya dan emisi elektron dengan presisi waktu yang tepat. Istilah lama untuk efek fotolistrik adalah efek Hertz (yang saat ini sudah tidak digunakan lagi). Hertz mengamati dan menunjukkan bahwa elektrode yang diterangi dengan sinar ultraviolet dapat menciptakan bunga api listrik dengan lebih mudah.

Efek fotolistrik membutuhkan foton dengan energi mulai dari beberapa elektronvolt hingga lebih dari 1 MeV pada unsur yang memiliki nomor atom tinggi. Studi efek fotolistrik menjadi langkah penting dalam memahami sifat kuantum cahaya dan elektron, serta memengaruhi pembentukan konsep dualitas gelombang-partikel. Fenomena cahaya yang memengaruhi gerakan muatan listrik ini juga mencakup efek fotokonduktif (juga dikenal sebagai fotokonduktivitas atau fotoresistivitas), efek fotovoltaik, dan efek fotoelektrokimia.

Mekanisme Emisi

Foton dari sinar memiliki energi karakteristik yang ditentukan oleh frekuensi cahaya. Dalam proses fotoemisi, jika elektron pada suatu bahan menyerap energi dari satu foton sehingga memiliki energi yang melebihi fungsi kerja (energi ikat elektron) materi tersebut, maka elektron akan terlepas. Jika energi foton terlalu rendah, elektron tidak dapat keluar dari materi. Peningkatan intensitas sinar akan meningkatkan jumlah foton dalam berkas cahaya, yang berakibat pada meningkatnya jumlah elektron yang terlepas, namun tidak meningkatkan energi kinetik dari masing-masing elektron. Energi dari elektron yang dipancarkan tidak tergantung pada intensitas cahaya yang masuk, melainkan hanya bergantung pada energi atau frekuensi foton individual. Ini merupakan bentuk interaksi langsung antara foton dan elektron terluar.

Elektron dapat menyerap energi dari foton ketika disinari mengikuti prinsip "semua atau tidak sama sekali" (all-or-nothing). Seluruh energi dari satu foton harus diserap dan digunakan untuk membebaskan satu elektron dari ikatan atomnya, atau energi tersebut akan dipancarkan kembali. Jika energi foton diserap, sebagian energinya digunakan untuk membebaskan elektron, dan sisanya menjadi energi kinetik elektron sebagai partikel bebas.

Tidak ada elektron yang melepaskan diri jika radiasi berada di bawah frekuensi ambang, karena elektron tidak memperoleh energi yang cukup untuk mengatasi ikatan atom. Elektron yang dipancarkan ini umumnya disebut sebagai fotoelektron dalam berbagai buku teks.

Efek fotolistrik memberikan kontribusi besar pada pemahaman penduaan gelombang-partikel, di mana sistem fisika (seperti foton) dapat menunjukkan sifat dan perilaku gelombang sekaligus partikel—sebuah konsep krusial dalam mekanika kuantum. Efek fotolistrik dijelaskan secara matematis oleh Albert Einstein yang memperluas konsep kuanta yang dikembangkan oleh Max Planck.

Hukum emisi fotolistrik:

  1. Untuk logam dan radiasi tertentu, jumlah fotoelektron yang dikeluarkan berbanding lurus dengan intensitas cahaya yang digunakan.
  2. Untuk logam tertentu, terdapat frekuensi radiasi minimum. Di bawah frekuensi ini, fotoelektron tidak dapat dipancarkan.
  3. Di atas frekuensi tersebut, energi kinetik maksimum fotoelektron tidak bergantung pada intensitas cahaya, melainkan bergantung pada frekuensi cahaya.
  4. Jeda waktu antara radiasi dan pemancaran fotoelektron sangat singkat, yaitu kurang dari 10−9 detik.

Deskripsi matematis

Energi kinetik maksimum Kmax dari elektron yang terlepas dirumuskan dengan:

Kmax=hf−φ,

dengan h adalah konstanta Planck dan f adalah frekuensi foton. Simbol φ menyatakan fungsi kerja (terkadang dilambangkan dengan W atau ϕ[2]), yang merupakan energi minimum yang dibutuhkan untuk memindahkan elektron dari permukaan logam. Fungsi kerja ini dirumuskan sebagai:

φ=hf0,

dengan f0 adalah frekuensi ambang logam. Dengan demikian, energi kinetik maksimum dari elektron yang terlepas adalah:

Kmax=h(f−f0).

Karena energi kinetik bernilai positif, maka syarat f>f0 harus dipenuhi agar efek fotolistrik dapat terjadi.[3]

Potensial Penghenti

Hubungan antara arus dan tegangan yang diterapkan menggambarkan sifat dari efek fotolistrik. Dalam eksperimen, sumber cahaya menyinari pelat P, kemudian elektrode pelat Q mengumpulkan elektron yang dipancarkan. Beda potensial antara P dan Q divariasikan untuk mengukur arus yang mengalir dalam sirkuit eksternal di antara kedua pelat tersebut.

Jika frekuensi dan intensitas radiasi yang datang bernilai konstan, arus fotolistrik akan meningkat secara bertahap seiring dengan peningkatan potensial positif hingga seluruh fotoelektron yang dipancarkan terkumpul. Arus fotolistrik kemudian mencapai nilai jenuh (saturasi) dan tidak meningkat lagi meskipun potensial positif terus dinaikkan. Nilai arus jenuh ini bergantung pada intensitas pencahayaan, tetapi tidak bergantung pada panjang gelombang.

Jika potensial negatif diterapkan pada pelat Q terhadap pelat P dan ditingkatkan secara bertahap, arus fotolistrik akan menurun hingga mencapai nilai nol pada potensial negatif tertentu. Potensial negatif minimum pada pelat Q yang menyebabkan arus fotolistrik menjadi nol disebut sebagai potensial penghenti (stopping potential) atau potensial pemutus.

Untuk frekuensi radiasi tertentu, besarnya potensial penghenti tidak bergantung pada intensitas cahaya.

Potensial penghenti V0 berhubungan langsung dengan energi kinetik maksimum fotoelektron. Jika m adalah massa dan vmax adalah kecepatan maksimum fotoelektron yang dipancarkan, maka:

Kmax=12mvmax2

Jika e adalah muatan elektron dan V0 adalah potensial penahan, maka kerja yang dilakukan oleh potensial perlambatan untuk menghentikan elektron adalah eV0, sehingga diperoleh:

12mvmax2=eV0

Hubungan di atas menunjukkan bahwa kecepatan maksimum fotoelektron yang dipancarkan tidak bergantung pada intensitas cahaya yang datang. Oleh karena itu:

Kmax=eV0

Tegangan penghenti bervariasi secara linear terhadap frekuensi cahaya dan bergantung pada jenis bahan yang digunakan. Untuk materi tertentu, terdapat frekuensi ambang batas yang harus dilampaui agar emisi elektron dapat teramati, tanpa bergantung pada intensitas cahayanya.

Model Tiga Langkah

Dalam rezim sinar-X, efek fotolistrik pada bahan kristal sering didekomposisi menjadi tiga langkah:

  1. Efek fotolistrik dalam (inner photoeffect): Transisi fotolistrik harus diizinkan secara dipol. Lubang (hole) yang ditinggalkan dapat memicu efek Auger, yang tetap teramati meskipun elektron tidak meninggalkan materi. Pada padatan molekuler, fonon tereksitasi pada tahap ini dan dapat terlihat sebagai garis pada energi akhir elektron.
  2. Pasokan balistik: Setengah dari elektron ditranspor menuju permukaan, di mana sebagian elektron mengalami hamburan (scattering).
  3. Pelepasan elektron: Elektron meloloskan diri dari permukaan bahan.

Dalam model tiga langkah ini, elektron dapat mengambil beberapa jalur. Seluruh jalur tersebut dapat saling berinterferensi dalam kerangka formulasi integral lintasan.

Sejarah

J.J. Thomson: Elektron

Pada tahun 1899, Joseph John Thomson meneliti cahaya ultraungu dalam tabung sinar katode. Dipengaruhi oleh karya James Clerk Maxwell, Thomson menyimpulkan bahwa sinar katode terdiri atas partikel-partikel bermuatan negatif, yang ia sebut corpuscles (yang belakangan dikenal sebagai "elektron").[4][5][6] Dalam penelitian tersebut, Thomson menempatkan pelat logam (katode) di dalam tabung hampa dan menyinarinya dengan radiasi frekuensi tinggi.[7][8][9]

Referensi

  1. ↑ Photoelectric effect Definition, Examples, & Applications Britannica. www.britannica.com.
  2. ↑ C. Mee. International A/AS Level Physics. Hodder Education. 2011. hlm. 241. ISBN 978-0-340-94564-3.
  3. ↑ A. T. Fromhold. Quantum Mechanics for Applied Physics and Engineering. Courier Dover Publications. 1991. hlm. 5–6. ISBN 978-0-486-66741-6.
  4. ↑ J. J. Thomson History Research Starters EBSCO Research. EBSCO.
  5. ↑ sereliciouz. Anak Kelas 10, Yuk Belajar Sejarah Perkembangan Teori Model dan Struktur Atom!. Quipper Blog. 2019-06-26.
  6. ↑ SmarterIndo. Penemuan elektron oleh JJ Thomson dan Millikan - Fisika Kelas XII. 2019-06-17.
  7. ↑ J. J. Thomson History Research Starters EBSCO Research. EBSCO.
  8. ↑ sereliciouz. Anak Kelas 10, Yuk Belajar Sejarah Perkembangan Teori Model dan Struktur Atom!. Quipper Blog. 2019-06-26.
  9. ↑ SmarterIndo. Penemuan elektron oleh JJ Thomson dan Millikan - Fisika Kelas XII. 2019-06-17.

Sumber dan atribusi

Konten artikel ini diadaptasi dari Wikipedia bahasa Indonesia, revisi 29485170 (2026-07-22T08:03:08Z), yang tersedia berdasarkan lisensi Creative Commons Atribusi-BerbagiSerupa (CC BY-SA). Gambar pada artikel ini bersumber dari Wikimedia Commons dan mengikuti ketentuan lisensi masing-masing berkas. Mohon gunakan konten dan media secara bijak serta sesuai dengan ketentuan lisensi yang berlaku.


Diperoleh dari "https://wiki.unissula.ac.id/index.php?title=Efek_fotolistrik&oldid=13789"