Efek Fotolistrik – Konsep, Proses, Faktor, dan Contoh Soalnya

Efek fotolistrik adalah salah satu fenomena fisika yang sangat penting, terutama dalam perkembangan teori kuantum dan pemahaman tentang sifat cahaya dan materi.

Efek ini pertama kali dijelaskan oleh Albert Einstein pada tahun 1905, yang kemudian memenangkan Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1921.

Konsep Efek Fotolistrik

Efek fotolistrik adalah fenomena di mana elektron dilepaskan dari permukaan logam ketika cahaya dengan frekuensi tertentu menyinari logam tersebut.

Fenomena ini terjadi karena energi foton cahaya yang mengenai logam ditransfer ke elektron-elektron di permukaan logam, sehingga memberikan energi yang cukup untuk melepaskan mereka dari medan tarik inti atom logam.

Efek fotolistrik tidak dapat dijelaskan oleh teori gelombang cahaya klasik, yang menyatakan bahwa intensitas cahaya seharusnya mempengaruhi jumlah energi yang diterima elektron. Namun, melalui eksperimen, ditemukan bahwa bukan intensitas cahaya yang menentukan apakah elektron akan terlepas dari permukaan logam, melainkan frekuensi cahaya.

Hanya cahaya dengan frekuensi di atas nilai tertentu, yang disebut frekuensi ambang, yang dapat menyebabkan terlepasnya elektron. Ini membawa kepada kesimpulan bahwa cahaya tidak hanya berupa gelombang, tetapi juga memiliki sifat partikel, yang dikenal sebagai foton.

Pada dasarnya, energi yang dimiliki foton cahaya diberikan oleh rumus:

$$ E = h \cdot f $$

di mana:

• \( E \) adalah energi foton,
• \( h \) adalah konstanta Planck \((6.626 \times 10^{-34}) Joule detik\),
• \( f \) adalah frekuensi cahaya.

Jika energi yang dimiliki foton lebih besar dari energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron dari logam, yang disebut fungsi kerja \((W)\), maka elektron akan terlepas dari permukaan logam tersebut.

Proses yang Terjadi dalam Efek Fotolistrik

Proses efek fotolistrik dapat dijelaskan melalui beberapa langkah:

• Penyinaran Cahaya: Ketika permukaan logam disinari dengan cahaya, foton-foton dari cahaya ini bertabrakan dengan elektron-elektron pada permukaan logam.
• Penyerapan Energi oleh Elektron: Elektron pada permukaan logam menyerap energi foton tersebut. Jika energi foton (dihitung dengan rumus (E = h \cdot f)) lebih besar dari fungsi kerja logam, maka elektron akan terlepas dari permukaan logam.
• Emission Elektron: Elektron yang menerima energi cukup akan terlepas dari permukaan logam sebagai elektron bebas, yang disebut elektron foto. Jumlah energi kinetik yang dimiliki oleh elektron foto setelah keluar dari logam diberikan oleh persamaan Einstein:

$$ K.E = h \cdot f – W $$

di mana (K.E) adalah energi kinetik elektron foto, (h \cdot f) adalah energi foton, dan (W) adalah fungsi kerja logam.

Efek fotolistrik mengindikasikan bahwa cahaya memiliki sifat kuantum yang melibatkan paket-paket energi diskrit, yang dikenal sebagai foton. Cahaya tidak hanya berupa gelombang elektromagnetik tetapi juga terdiri dari partikel-partikel energi ini. Hal ini membuktikan bahwa cahaya memiliki dualitas gelombang-partikel, yang menjadi dasar dari mekanika kuantum.

Faktor yang Mempengaruhi Efek Fotolistrik

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi terjadinya efek fotolistrik, yaitu:

Frekuensi Cahaya

Frekuensi cahaya adalah faktor terpenting dalam efek fotolistrik. Hanya cahaya dengan frekuensi di atas frekuensi ambang tertentu yang dapat menyebabkan elektron terlepas dari permukaan logam.

Semakin tinggi frekuensi cahaya, semakin besar energi yang dimiliki foton, sehingga semakin besar pula kemungkinan terjadinya efek fotolistrik.

Intensitas Cahaya

Intensitas cahaya tidak mempengaruhi energi foton yang diterima oleh elektron, tetapi mempengaruhi jumlah foton yang tersedia untuk menabrak elektron pada permukaan logam.

Semakin tinggi intensitas cahaya, semakin banyak foton yang mengenai permukaan logam, sehingga semakin banyak elektron yang dapat terlepas.

Namun, meskipun intensitas cahaya ditingkatkan, jika frekuensi cahaya kurang dari frekuensi ambang, efek fotolistrik tidak akan terjadi.

Fungsi Kerja Logam

Setiap jenis logam memiliki fungsi kerja yang berbeda, yaitu jumlah minimum energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron dari permukaannya.

Logam dengan fungsi kerja rendah akan lebih mudah melepaskan elektron ketika terkena cahaya dengan frekuensi tertentu dibandingkan logam dengan fungsi kerja tinggi. Contoh logam yang sering digunakan dalam eksperimen efek fotolistrik adalah natrium, kalium, dan kalsium.

Energi Kinetik Elektron

Energi kinetik yang dimiliki oleh elektron yang terlepas dari permukaan logam juga dipengaruhi oleh energi foton dan fungsi kerja logam. Semakin besar energi foton yang diserap oleh elektron, semakin besar pula energi kinetiknya setelah elektron terlepas. Energi kinetik ini dapat diukur dalam percobaan efek fotolistrik untuk mengetahui hubungan antara frekuensi cahaya dan energi foton.

Contoh Soal

Untuk memperjelas pemahaman tentang efek fotolistrik, berikut adalah contoh soal yang dapat dijawab menggunakan konsep dan rumus yang telah dibahas.

Contoh Soal 1

Sebuah permukaan logam disinari dengan cahaya yang memiliki frekuensi 5 × 10(^14) Hz. Fungsi kerja logam tersebut adalah \(2 × 10^{-19}\) Joule. Hitunglah energi kinetik dari elektron yang terlepas!

Penyelesaian:

Pertama, kita menghitung energi foton yang diterima oleh elektron dengan menggunakan rumus \( E = h \cdot f \).

$$ E = (6.626 \times 10^{-34}) \cdot (5 \times 10^{14}) = 3.313 \times 10^{-19} \, \text{Joule} $$

Kemudian, kita menghitung energi kinetik elektron dengan rumus:

$$ K.E = E – W $$

di mana \( E \) adalah energi foton dan \( W \) adalah fungsi kerja logam.

$$ K.E = (3.313 \times 10^{-19}) – (2 \times 10^{-19}) = 1.313 \times 10^{-19} \, \text{Joule} $$

Jadi, energi kinetik elektron yang terlepas adalah \(1.313 × 10^{-19}\) Joule.

Contoh Soal 2

Jika frekuensi ambang suatu logam adalah \(4 × 10^{14}\) Hz, hitunglah fungsi kerja logam tersebut!

Penyelesaian:

Fungsi kerja logam dapat dihitung dengan rumus \( W = h \cdot f_{\text{ambang}} \), di mana \( f_{\text{ambang}} \) adalah frekuensi ambang.

$$ W = (6.626 \times 10^{-34}) \cdot (4 \times 10^{14}) = 2.65 \times 10^{-19} \, \text{Joule} $$

Jadi, fungsi kerja logam tersebut adalah \(2.65 × 10^{-19}\) Joule.

Kesimpulan

Efek fotolistrik adalah salah satu fenomena penting yang menjelaskan sifat dualitas cahaya sebagai gelombang dan partikel. Cahaya yang terdiri dari foton dapat melepaskan elektron dari permukaan logam ketika frekuensi cahaya tersebut lebih besar dari frekuensi ambang.

Faktor utama yang mempengaruhi efek fotolistrik adalah frekuensi cahaya, intensitas cahaya, dan fungsi kerja logam. Fenomena ini membuka jalan bagi perkembangan mekanika kuantum dan memberikan pemahaman yang lebih mendalam tentang interaksi antara cahaya dan materi.