Efek Fotolistrik: Pengertian, rumus, faktor, syarat, proses

Fenomena logam yang melepaskan elektron ketika terpapar ke cahaya dengan frekuensi yang sesuai disebut efek fotolistrik, dan elektron yang dipancarkan selama proses tersebut disebut fotoelektron.

Efek fotolistrik adalah emisi elektron oleh suatu bahan, biasanya logam, ketika terkena radiasi elektromagnetik (seperti cahaya) dari frekuensi yang cukup tinggi, yang tergantung pada bahan, seperti radiasi ultraviolet. Efek ini dapat diamati ketika cahaya mengenai pelat logam, menarik elektron keluar dari pelat. Elektron yang dikeluarkan disebut fotoelektron.

Diamati untuk pertama kalinya oleh AE Becquerel pada tahun 1839 dan dikonfirmasi oleh Heinrich Hertz pada tahun 1887, fenomena efek fotolistrik juga dikenal sebagai “efek Hertz”, meskipun istilah ini tidak digunakan secara umum, tetapi dijelaskan untuk pertama kalinya Albert Einstein, efek fotolistrik menjelaskan bagaimana cahaya frekuensi tinggi melepaskan elektron dari suatu material.

Efek fotolistrik mengacu pada emisi, atau ejeksi, elektron dari permukaan, umumnya, logam dalam menanggapi insiden ringan. Dan untuk lebih jelasnya lagi tentang pengertian efek fotolistrik berikut ini merupakan ulasan lebih jauh lagi tentang pengertian efek fotolistrik semoga bermanfaat!

Efek fotolistrik adalah pengeluaran elektron dari suatu permukaan (biasanya logam) ketika dikenai, dan menyerap, radiasi elektromagnetik (seperti cahaya tampak dan radiasi ultraungu) yang berada di atas frekuensi ambang tergantung pada jenis permukaan. Istilah lama untuk efek fotolistrik adalah efek Hertz (yang saat ini tidak digunakan lagi). Hertz mengamati dan kemudian menunjukkan bahwa elektrode diterangi dengan sinar ultraviolet menciptakan bunga api listrik lebih mudah.

Efek fotolistrik membutuhkan foton dengan energi dari beberapa electronvolts sampai lebih dari 1 MeV unsur yang nomor atomnya tinggi. Studi efek fotolistrik menyebabkan langkah-langkah penting dalam memahami sifat kuantum cahaya, elektron dan mempengaruhi pembentukan konsep Dualitas gelombang-partikel.

Fenomena di mana cahaya mempengaruhi gerakan muatan listrik termasuk efek fotokonduktif (juga dikenal sebagai fotokonduktivitas atau photoresistivity ), efek fotovoltaik, dan efek fotoelektrokimia.

Pengertian

Efek fotolistrik adalah fenomena di mana elektron terlontar dari permukaan logam ketika cahaya terjadi di atasnya. Elektron yang dikeluarkan ini disebut fotoelektron. Penting untuk dicatat bahwa emisi fotoelektron dan energi kinetik dari fotoelektron yang dikeluarkan bergantung pada frekuensi cahaya yang terjadi pada permukaan logam. Proses melalui fotoelektron yang dikeluarkan dari permukaan logam karena aksi cahaya biasanya disebut sebagai fotoemisi.

Efek fotolistrik terjadi karena elektron pada permukaan logam cenderung menyerap energi dari cahaya yang datang dan menggunakannya untuk mengatasi gaya tarik menarik yang mengikatnya ke inti logam. Ilustrasi yang merinci emisi fotoelektron sebagai akibat efek fotoelektrik disediakan di atas.

Menurut teori elektromagnetik klasik, efek fotolistrik dapat dikaitkan dengan transfer energi dari cahaya ke elektron. Dalam perspektif ini, perubahan intensitas cahaya akan menyebabkan perubahan energi kinetik elektron yang dipancarkan dari logam. Lebih lanjut, menurut teori ini, cahaya yang cukup lemah diharapkan untuk menunjukkan interval waktu antara kecerahan awal cahayanya dan emisi elektron selanjutnya. Namun, hasil eksperimen tidak berkorelasi dengan salah satu dari dua prediksi yang dibuat oleh teori klasik.

Alih-alih, elektron dicabut hanya oleh dampak foton ketika foton tersebut mencapai atau melampaui frekuensi ambang batas (energi). Di bawah batas ini, tidak ada elektron yang dipancarkan dari materi, terlepas dari intensitas cahaya atau waktu terpapar cahaya (jarang, elektron akan luput menyerap dua atau lebih kuanta; namun, ini sangat langka karena ketika menyerap cukup kuanta untuk melarikan diri, elektron mungkin akan memancarkan sisa kuanta yang terserap).

Untuk memahami fakta bahwa cahaya dapat mengeluarkan elektron meskipun intensitasnya rendah, Albert Einstein mengusulkan bahwa berkas cahaya bukanlah gelombang yang bergerak melalui ruang, tetapi kumpulan paket gelombang diskrit (foton), masing-masing dengan energi. Ini mengklarifikasi penemuan Max Planck sebelumnya tentang hubungan Planck (E = hν), menghubungkan energi (E) dan frekuensi (ν) sebagai hasil dari kuantisasi energi. Faktor h dikenal sebagai konstanta Planck. Pada tahun 1921, Albert Einstein dari Jerman menerima Hadiah Nobel dalam Fisika untuk “kontribusinya pada fisika teoretis dan, terutama, atas penemuannya tentang hukum efek fotolistrik.”

Prinsip Efek Fotolistrik

Hukum kekekalan energi membentuk dasar bagi efek fotolistrik.

Proses Efek Fotolistrik

Foton dari sinar memiliki energi karakteristik yang ditentukan oleh frekuensi cahaya. Dalam proses fotoemisi, jika elektron dalam beberapa bahan menyerap energi dari satu foton dan dengan demikian memiliki lebih banyak energi daripada fungsi kerja (energi ikat elektron) dari materi, itu dikeluarkan. Jika energi foton terlalu rendah, elektron tidak bisa keluar dari materi.

Peningkatan intensitas sinar meningkatkan jumlah foton dalam berkas cahaya, dan dengan demikian meningkatkan jumlah elektron, tetapi tidak meningkatkan energi setiap elektron yang dimemiliki. Energi dari elektron yang dipancarkan tidak tergantung pada intensitas cahaya yang masuk, tetapi hanya pada energi atau frekuensi foton individual. Ini adalah interaksi antara foton dan elektron terluar.

Elektron dapat menyerap energi dari foton ketika disinari, tetapi mereka biasanya mengikuti prinsip “semua atau tidak”. Semua energi dari satu foton harus diserap dan digunakan untuk membebaskan satu elektron dari atom yang mengikat, atau energi dipancarkan kembali. Jika energi foton diserap, sebagian energi membebaskan elektron dari atom, dan sisanya dikontribusi untuk energi kinetik elektron sebagai partikel bebas.

Tidak ada elektron yang dilepaskan oleh radiasi di bawah frekuensi ambang, karena elektron tidak mendapatkan energi yang cukup untuk mengatasi ikatan atom. Elektron yang dipancarkan biasanya disebut fotoelektron dalam banyak buku pelajaran.

Efek fotolistrik banyak membantu penduaan gelombang-partikel, dimana sistem fisika (seperti foton dalam kasus ini) dapat menunjukkan kedua sifat dan kelakuan seperti-gelombang dan seperti-partikel, sebuah konsep yang banyak digunakan oleh pencipta mekanika kuantum. Efek fotolistrik dijelaskan secara matematis oleh Albert Einstein yang memperluas kuanta yang dikembangkan oleh Max Planck.

Hukum emisi fotolistrik:

  1. Untuk logam dan radiasi tertentu, jumlah fotoelektro yang dikeluarkan berbanding lurus dengan intensitas cahaya yg digunakan.
  2. Untuk logam tertentu, terdapat frekuensi minimum radiasi. di bawah frekuensi ini fotoelektron tidak bisa dipancarkan.
  3. Di atas frekuensi tersebut, energi kinetik yang dipancarkan fotoelektron tidak bergantung pada intensitas cahaya, namun bergantung pada frekuensi cahaya.
  4. Perbedaan waktu dari radiasi dan pemancaran fotoelektron sangat kecil, kurang dari 10−9 detik.

Faktor yang mempengaruhi efek fotolistrik

1. Intensitas cahaya datang,

Efek fotolistrik mengasumsikan sifat partikel cahaya. Jadi intensitas adalah ukuran tidak ada foton (partikel cahaya) per satuan luas material, per satuan waktu.

2. Fungsi kerja (dari material) atau frekuensi ambang (Dari material).

Arus dihasilkan karena elektron bebas. Jika materi memegang elektron terlalu erat, foton yang datang perlu memiliki lebih banyak energi (frekuensi). Energi ini ditetapkan untuk suatu bahan tertentu dan memvariasikan material ke material. Jika foton memiliki energi (frekuensi) yang lebih rendah dari ini, elektron tidak dapat lepas dari material.

3. Luas di mana cahaya terjadi.

Semakin banyak area di mana cahaya terjadi, lebih banyak elektron akan terpapar, dan dengan demikian lebih banyak akan menjadi arus, mengingat frekuensi cahaya cukup tinggi.

Rumus

Efek fotolistrik tidak dapat dijelaskan dengan mempertimbangkan cahaya sebagai gelombang. Namun, fenomena ini dapat dijelaskan oleh sifat partikel cahaya, di mana cahaya dapat divisualisasikan sebagai aliran partikel energi elektromagnetik. ‘Partikel’ cahaya ini disebut foton. Energi yang dipegang oleh foton terkait dengan frekuensi cahaya melalui persamaan Planck:

E = h? = hc / λ

Dimana,

  • E menunjukkan energi foton
  • h adalah konstanta Planck
  • ? menunjukkan frekuensi cahaya
  • c adalah kecepatan cahaya (dalam ruang hampa)
  • λ adalah panjang gelombang cahaya

Dengan demikian, dapat dipahami bahwa frekuensi cahaya yang berbeda membawa foton dari berbagai energi. Misalnya, frekuensi cahaya biru lebih besar daripada cahaya merah (panjang gelombang cahaya biru jauh lebih pendek daripada panjang gelombang cahaya merah). Oleh karena itu, energi yang dimiliki oleh foton cahaya biru akan lebih besar daripada energi yang dimiliki oleh foton cahaya merah.

Menganalisis efek fotolistrik secara kuantitatif menggunakan metode Einstein, persamaan ekivalen berikut digunakan:

Dimana:

  • h adalah konstanta Planck,
  • f adalah frekuensi foton kejadian,
  • ϕ = hf0 adalah fungsi kerja, atau energi minimum yang diperlukan untuk menghilangkan elektron dari ikatan atomnya,
  • Ecmax = ½  mv2m adalah energi kinetik maksimum dari elektron yang dikeluarkan,
  • f0 adalah frekuensi minimum untuk efek fotolistrik terjadi,
  • m adalah massa istirahat dari elektron yang dikeluarkan, dan
  • vm adalah kecepatan elektron yang dikeluarkan.

Catatan:

  • Jika energi foton (hf) tidak lebih besar dari fungsi kerja (ϕ, tidak ada elektron yang akan dipancarkan. Fungsi kerja kadang-kadang disebut W.
  • Dalam fisika keadaan padat, energi Fermi digunakan sebagai pengganti energi tingkat vakum sebagai referensi dalam persamaan ini, yang membuatnya memperoleh bentuk yang sedikit berbeda.
  • Perhatikan juga bahwa dengan meningkatkan intensitas radiasi kejadian, itu tidak akan menyebabkan energi kinetik yang lebih besar dari elektron yang dikeluarkan (atau elektron), tetapi jumlah partikel yang lebih besar dari jenis ini dihilangkan per unit waktu.

Syarat terjadinya efek fotolistrik

Agar efek fotolistrik terjadi, foton yang berada di permukaan logam harus membawa energi yang cukup untuk mengatasi gaya tarik yang mengikat elektron ke inti logam. Jumlah energi minimum yang diperlukan untuk menghilangkan elektron dari logam disebut energi ambang (dilambangkan dengan simbol Φ). Agar foton memiliki energi yang sama dengan energi ambang, frekuensinya harus sama dengan frekuensi ambang (yang merupakan frekuensi minimum cahaya yang diperlukan agar efek fotolistrik terjadi). Frekuensi ambang biasanya ditandai dengan simbol ?th dan panjang gelombang terkait (disebut ambang panjang gelombang) dilambangkan dengan simbol λth. Hubungan antara energi ambang dan frekuensi ambang dapat dinyatakan sebagai berikut.

Φ = h?th = hc/λth

Hubungan antara Frekuensi Foton dan Energi Kinetik dari Fotoelektron yang Dipancarkan

Oleh karena itu, hubungan antara energi foton dan energi kinetik dari fotoelektron yang dipancarkan dapat ditulis sebagai berikut.

Efoton = Φ + Eelektron

h? = h?th + ½mev2

Dimana,

  • Efoton menunjukkan energi dari foton kejadian, yang sama dengan h?
  • Φ menunjukkan energi ambang dari permukaan logam, yang sama dengan h?th 
  • Eelektron menunjukkan energi kinetik dari fotoelektron, yang sama dengan ½mev2 (me = massa elektron = 9.1*10-31 kg)

Jika energi foton kurang dari energi ambang, tidak akan ada emisi fotoelektron (karena gaya tarik menarik antara inti dan elektron tidak dapat diatasi). Dengan demikian, efek fotolistrik tidak akan terjadi jika ? <?th. Jika frekuensi foton persis sama dengan frekuensi ambang (? = ?th), akan ada emisi fotoelektron, tetapi energi kinetiknya akan sama dengan nol. Ilustrasi yang merinci efek dari frekuensi cahaya yang terjadi pada energi kinetik dari fotoelektron disediakan di bawah ini.

Hubungan antara Frekuensi Foton Insiden dan Energi Kinetik dari fotoelektron yang Dipancarkan

Dari gambar, dapat diamati bahwa:

  • Efek fotolistrik tidak terjadi ketika cahaya merah mengenai permukaan logam karena frekuensi cahaya  merah lebih rendah daripada frekuensi ambang logam.
  • Efek fotolistrik terjadi ketika lampu hijau menghantam permukaan logam dan fotoelektron dipancarkan.
  • Efek fotolistrik juga terjadi ketika cahaya biru menghantam permukaan logam. Namun, energi kinetik dari fotoelektron yang dipancarkan jauh lebih tinggi untuk cahaya biru daripada untuk lampu hijau. Ini karena cahaya biru memiliki frekuensi lebih besar daripada lampu hijau.

Penting untuk dicatat bahwa energi ambang bervariasi dari logam ke logam. Ini karena gaya tarik menarik yang mengikat elektron ke logam berbeda untuk logam yang berbeda. Dapat juga dicatat bahwa efek fotolistrik juga dapat terjadi pada non-logam, tetapi frekuensi ambang batas zat non-logam biasanya sangat tinggi.

Kondisi Minimum untuk terjadinya Efek Fotolistrik

Frekuensi Ambang Batas (γth)

Ini adalah frekuensi minimum dari cahaya yang datang atau radiasi yang akan menghasilkan efek fotolistrik yaitu ejeksi fotoelektron dari permukaan logam yang dikenal sebagai frekuensi ambang batas untuk logam. Ini konstan untuk logam tertentu tetapi mungkin berbeda untuk logam yang berbeda.

Jika γ = frekuensi foton kejadian dan γth = frekuensi ambang, maka,

  • Jika γ <γ Tidak akan ada ejeksi fotoelektron dan, karenanya, tidak ada efek fotoelektrik.
  • Jika γ = γTh, fotoelektron hanya dikeluarkan dari permukaan logam, dalam hal ini, energi kinetik dari elektron adalah nol
  • Jika γ> γT, maka fotoelektron akan keluar dari permukaan bersama dengan energi kinetik

Ambang Panjang Gelombang (λth)

Selama emisi elektron, permukaan logam yang sesuai dengan panjang gelombang terbesar untuk cahaya datang dikenal dengan panjang gelombang ambang batas.

λth = c / γth

Untuk panjang gelombang di atas ambang batas ini, tidak akan ada emisi fotoelektron. Untuk λ = panjang gelombang foton kejadian, maka:

  • Jika λ <λT, maka efek fotolistrik akan terjadi dan elektron yang dikeluarkan akan memiliki energi kinetik.
  • Jika λ = λTh, maka hanya efek fotolistrik yang akan terjadi dan energi kinetik dari photoelectron yang dikeluarkan akan menjadi nol.
  • Jika λ> λTh, tidak akan ada efek fotolistrik.

Fungsi Kerja atau Energi Ambang Batas (Φ)

Energi minimal usaha termodinamika yang diperlukan untuk menghilangkan elektron dari konduktor ke titik dalam ruang hampa tepat di luar permukaan konduktor dikenal sebagai fungsi kerja / energi ambang

Φ = hγth = hc/λth

Fungsi kerja adalah karakteristik logam yang diberikan. Jika E = energi foton kejadian, maka:

  • Jika E <Φ, tidak ada efek fotolistrik yang akan terjadi.
  • Jika E = Φ, hanya efek fotolistrik yang akan terjadi tetapi energi kinetik dari fotoelektron yang dikeluarkan akan nol
  • Jika E> photoelectron akan menjadi nol
  • Jika E> Φ, efek fotolistrik akan terjadi bersamaan dengan kepemilikan energi kinetik oleh elektron yang dikeluarkan.

Percobaan Efek Fotolistrik

Eksperimen pengaturan D yang diberikan digunakan untuk mempelajari efek fotolistrik secara eksperimental. Dalam tabung gelas yang dievakuasi. Dua pelat seng C dan D tertutup. Pelat C bertindak sebagai anoda dan D bertindak sebagai pelat fotosensitif.

Dua pelat dihubungkan ke baterai B dan ammeter A. Jika radiasi terjadi pada pelat D melalui jendela kuarsa, elektron W dikeluarkan dari pelat dan arus mengalir di dalam rangkaian ini dikenal sebagai arus foto. Plat C dapat dipertahankan pada potensial yang diinginkan (+ ve atau – ve) sehubungan dengan pelat D.

Karakteristik Efek Fotolistrik

  • Frekuensi ambang bervariasi dengan bahan, itu berbeda untuk bahan yang berbeda.
  • Arus fotolistrik berbanding lurus dengan intensitas cahaya.
  • Energi kinetik dari fotoelektron berbanding lurus dengan frekuensi cahaya.
  • Potensi henti (stopping potential) berbanding lurus dengan frekuensi dan prosesnya instan.

Contoh Penerapan Efek Fotolistrik

  • Digunakan untuk menghasilkan listrik di Panel Surya. Panel ini mengandung kombinasi logam yang memungkinkan pembangkit listrik dari berbagai panjang gelombang.
  • Sensor Gerakan dan Posisi: Dalam hal ini, bahan fotoelektrik ditempatkan di depan LED UV atau IR. Ketika sebuah objek ditempatkan di antara Light-emitting diode (LED) dan sensor, lampu terputus dan sirkuit elektronik mencatat perubahan perbedaan potensial
  • Sensor pencahayaan seperti yang digunakan pada telepon pintar memungkinkan penyesuaian otomatis kecerahan layar sesuai dengan pencahayaan. Ini karena jumlah arus yang dihasilkan melalui efek fotolistrik tergantung pada intensitas cahaya yang mengenai sensor.
  • Kamera digital dapat mendeteksi dan merekam cahaya karena memiliki sensor fotolistrik yang merespons berbagai warna cahaya.
  • X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS): Teknik ini menggunakan sinar-X untuk menyinari permukaan dan mengukur energi kinetik dari elektron yang dipancarkan. Aspek penting dari kimia permukaan dapat diperoleh seperti komposisi unsur, komposisi kimia, rumus empiris senyawa dan keadaan kimia.
    Sel fotoelektrik digunakan dalam alarm pencuri.

Related Posts