Sabtu, November 9, 2024

Efek Fotolistrik: Tinjauan Hipotesis Kuantum

Zahrotun Muhtarisatul
Zahrotun Muhtarisatul
Seorang mahasiswi UIN Syarif Hidayatullah Jakarta jurusan Pendidikan Fisika yang sekarang tengah berusaha menyelesaikan tugas akhirnya.
- Advertisement -

Tahun 1887 seorang Fisikawan Jerman Heinrich Hertz menjadi orang pertama yang mendokumentasikan efek fotolistrik.  Berdasarkan nama fisikawan tersebut efek fotolistrik ini juga sering disebut sebagai efek Hertz.

Saat bekerja dengan perangkat penyiaran radio primitif, Hertz menemukan bahwa pada penyerapan frekuensi cahaya tertentu, akan terlihat percikan yang dikeluarkan. Percikan ini kemudian diidentifikasi oleh J.J. Thomson pada tahun 1899 sebagai eksitasi elektron cahaya (fotoelektron) yang meninggalkan permukaan logam.

Penjelasan konvensional untuk efek fotoelektron adalah bahwa elektron dalam atom logam diguncang dan digetarkan oleh medan listrik yang berosilasi sebagai respons terhadap radiasi yang datang. Beberapa dari mereka akhirnya akan terlepas dan dikeluarkan dari katoda. Sangat penting untuk memikirkan bagaimana jumlah dan kecepatan elektron yang dipancarkan akan berubah seiring dengan perubahan intensitas dan warna radiasi, serta waktu yang dibutuhkan untuk memantau fotoelektron.

  • Peningkatan intensitas radiasi akan menyebabkan elektron terguncang lebih keras, menyebabkan lebih banyak elektron yang dikeluarkan dan, rata-rata, menembak lebih cepat.
  • Meningkatkan frekuensi radiasi menyebabkan elektron bergetar lebih cepat, yang memungkinkan elektron untuk keluar lebih cepat. Elektron akan membutuhkan waktu untuk menimbulkan getaran amplitudo yang cukup untuk melepaskan diri ketika cahaya sangat redup.

Philipp Lenard, murid Hertz, menyelidiki bagaimana energi fotoelektron yang dilepaskan bervariasi dengan intensitas cahaya pada tahun 1902. Dia menggunakan cahaya busur karbon yang dapat ditingkatkan intensitasnya seribu kali lipat.

Elektron yang dikeluarkan bertabrakan dengan pelat logam lain, kolektor, yang disambungkan ke katoda dan dilengkapi dengan ammeter sensitif untuk mengukur arus yang dihasilkan oleh pencahayaan. Lenard mengisi pelat pengumpul secara negatif untuk menolak elektron yang datang ke arahnya untuk mendeteksi energi elektron yang dikeluarkan. Hanya elektron yang dikeluarkan dengan energi kinetik yang cukup untuk mendaki bukit potensial ini yang akan berkontribusi pada arus.

Gambar 1 : Eksperimen fotolistrik Lenard. (kiri) Arus foto (jumlah fotoelektron yang terkumpul) meningkat ketika intensitas cahaya tinggi. (kanan) Arus foto telah diturunkan karena intensitas cahaya rendah. Energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan, di sisi lain, tidak terpengaruh oleh intensitas cahaya yang datang.

Lenard menentukan bahwa ada tegangan minimum yang jelas yang tidak dapat dilewati oleh elektron (Vstop). Yang mengejutkan Lenard, dia menemukan bahwa Vstop tidak terpengaruh oleh kekuatan cahaya! Jumlah elektron yang dipancarkan empat kali lipat ketika intensitas cahaya digandakan, tetapi energi kinetik elektron yang dipancarkan tetap tidak berubah. Medan osilasi yang lebih kuat melepaskan lebih banyak elektron, tetapi energi individu maksimalnya sama dengan medan yang lebih lemah.

Pada tahun 1905, Einstein menyajikan interpretasi yang cukup sederhana dari temuan Lenard, dengan mengambil gagasan Planck tentang energi terkuantisasi dari penelitian benda hitam dan mengasumsikan bahwa radiasi yang masuk harus dianggap sebagai kuanta energi hv, dengan v adalah frekuensi. Satu elektron dalam fotoemisi menyerap satu kuantum tersebut. Saat elektron bergerak lebih dekat ke permukaan katoda, sebagian energi hilang. Saat elektron meninggalkan permukaan, yang merupakan fungsi kerja, akan selalu ada penalti elektrostatik. Elektron yang paling dekat dengan permukaan akan menjadi yang paling energik, dan mereka akan meninggalkan katoda dengan energi kinetik.

KE = hv- Φ                    (1.1.1)

Elektron energi kinetik terbesar (KEe) pasti memiliki energi eVstop saat meninggalkan katoda ketika tegangan negatif pada pelat kolektor dinaikkan sampai arus berhenti, yaitu sampai Vstop. Jadi,

- Advertisement -

e V stop= hv- Φ             (1.1.2)

Karena setiap foton dengan energi yang cukup hanya mengeksitasi satu elektron, peningkatan intensitas cahaya (yaitu jumlah foton/detik) hanya meningkatkan jumlah elektron yang dibebaskan, bukan energi kinetiknya. Selanjutnya, karena atom tidak perlu dipanaskan sampai suhu tertentu, pelepasan elektron hampir cepat pada penyerapan cahaya. Akhirnya, karena fungsi kerja membutuhkan foton untuk memiliki energi tertentu, ada frekuensi di bawahnya yang tidak ada fotoelektron yang diamati. Untuk menghormati penemu fenomena fotolistrik, frekuensi ini diukur dalam Hertz (1/detik).

Fitur efek fotolistrik secara matematis dijelaskan oleh Persamaan Einstein 1.1.1. Eksperimen ini memiliki implikasi yang aneh: cahaya dapat berperilaku sebagai “partikel” tak bermassa yang sekarang dikenal sebagai foton, yang energinya E = hv dapat ditransmisikan ke partikel nyata (elektron), memberikan energi kinetik padanya, seperti halnya pada partikel elastis. tumbukan antara dua partikel besar dan kuat seperti bola bilyar.

Robert Millikan pertama kali menolak teori Einstein, yang dilihatnya sebagai serangan terhadap teori gelombang cahaya, dan sebaliknya berfokus pada efek fotolistrik selama sepuluh tahun, hingga 1916. Dia bahkan menciptakan metode untuk membersihkan permukaan logam tabung vakum. Terlepas dari usahanya, ia menerima hasil yang buruk: sepuluh tahun kemudian, ia memvalidasi teori Einstein. Millikan masih berusaha menghindari kesimpulan ini dalam apa yang dia tulis dalam laporannya. Namun, pada saat dia memberikan pidato penerimaan Hadiah Nobelnya, dia telah berubah pikiran secara signifikan!

Penjelasan dasar Einstein (Persamaan 1.1.1) sepenuhnya menjelaskan fenomena yang diamati dalam uji Lenard dan Millikan dan meluncurkan studi tentang apa yang sekarang dikenal sebagai mekanika kuantum. Area baru ini bertujuan untuk memberikan mekanika klasik interpretasi kuantum dan menghasilkan teori fisika dan termodinamika yang lebih terpadu. Studi tentang efek fotolistrik telah melahirkan bidang baru yang disebut spektroskopi fotoelektron. Konstanta Planck mungkin diukur dengan cara yang sama sekali berbeda dari radiasi benda hitam menurut teori fotoelektron Einstein.

Sumber: Larsen, Denmar. 2021. Introduction to Quantum Mechanics. University of California, Davis: LibreTexts

Zahrotun Muhtarisatul
Zahrotun Muhtarisatul
Seorang mahasiswi UIN Syarif Hidayatullah Jakarta jurusan Pendidikan Fisika yang sekarang tengah berusaha menyelesaikan tugas akhirnya.
Facebook Comment
- Advertisement -

Log In

Forgot password?

Don't have an account? Register

Forgot password?

Enter your account data and we will send you a link to reset your password.

Your password reset link appears to be invalid or expired.

Log in

Privacy Policy

Add to Collection

No Collections

Here you'll find all collections you've created before.