Materi Efek Fotolistrik - Pengertian, Rumus dan Contoh Soal Perhitungan Efek Fotolistrik

Table of Contents

Pengertian Efek Fotolistrik

Efek fotolistrik adalah fenomena di mana partikel-partikel materi, biasanya elektron, dilepaskan dari permukaan suatu bahan saat diterangi oleh cahaya yang memiliki energi foton yang cukup tinggi. Efek ini pertama kali diamati oleh Heinrich Hertz pada tahun 1887 dan kemudian dijelaskan secara teoretis oleh Albert Einstein pada tahun 1905, yang menyebutnya sebagai "efek fotolistrik".

Beberapa poin penting terkait dengan efek fotolistrik adalah sebagai berikut:

1. Penjelasan Albert Einstein: Albert Einstein menjelaskan efek fotolistrik dengan menggunakan teori kuantum cahaya. Menurut teori ini, cahaya tidak hanya merupakan gelombang elektromagnetik, tetapi juga terdiri dari partikel-partikel energi diskret yang disebut foton. Ketika foton cahaya menghantam permukaan bahan, energi foton tersebut bisa diserap oleh elektron dalam bahan, yang kemudian dapat dilepaskan dari permukaan bahan.

2. Ambang Frekuensi: Untuk menyebabkan efek fotolistrik, foton cahaya harus memiliki energi yang cukup tinggi. Ambang frekuensi minimum dari cahaya yang dibutuhkan untuk memicu efek fotolistrik disebut "ambang frekuensi fotoelektrik". Ambang frekuensi ini bervariasi tergantung pada sifat bahan tertentu.

3. Hubungan Energi: Menurut teori Einstein, energi kinetik maksimum elektron yang dilepaskan dalam efek fotolistrik bergantung pada energi foton yang menghantam permukaan bahan dan fungsi kerja bahan. Jika energi foton melebihi fungsi kerja bahan, sisa energi akan menjadi energi kinetik dari elektron yang dilepaskan.

4. Penerapan: Efek fotolistrik memiliki banyak aplikasi praktis, termasuk dalam fotokimia, fotovoltaik (pembangkit listrik tenaga surya), fotomikrografi, sensor cahaya, dan teknologi detektor lainnya.

Efek fotolistrik memberikan pemahaman penting tentang sifat cahaya sebagai partikel dan fenomena interaksi cahaya dengan materi. Ini juga memiliki implikasi teknologi yang signifikan dalam berbagai bidang, terutama dalam pengembangan teknologi energi terbarukan dan sensor cahaya.

 

Baca Juga: Materi Listrik Bolak Balik Beserta Soal Dan Penyelesaian Listrik Bolak Balik Kelas 12

 

Efek fotolistrik diamati melalui prosedur sebagai berikut. Dua buah pelat logam (lempengan logam tipis) yang terpisah ditempatkan di dalam tabung hampa udara. Di luar tabung kedua pelat ini dihubungkan satu sama lain dengan kawat. Mula-mula tidak ada arus yang mengalir karena kedua plat terpisah.Ketika cahaya yang sesuai dikenakan kepada salah satu pelat, arus listrik terdeteksi pada kawat. Ini terjadi akibat adanya elektron-elektron yang lepas dari satu pelat dan menuju ke pelat lain secara bersama-sama membentuk arus listrik.

Hasil pengamatan terhadap gejala efek fotolistrik memunculkan sejumlah fakta yang merupakan karakteristik dari efek fotolistrik. Karakteristik itu adalah sebagai berikut.

1. ketika terjadi efek fotolistrik, arus listrik terdeteksi pada rangkaian kawat segera setelah cahaya yang sesuai disinari pada pelat logam. Ini berarti hampir tidak ada selang waktu elektron terbebas dari permukaan logam setelah logam disinari cahaya.
2. Karakteristik dari efek fotolistrik tidak dapat dijelaskan menggunakan teori gelombang cahaya. Diperlukan cara pandang baru dalam mendeskripsikan cahaya dimana cahaya tidak dipandang sebagai gelombang yang dapat memiliki energi yang kontinu melainkan cahaya sebagai partikel.

Perangkat teori yang menggambarkan cahaya bukan sebagai gelombang tersedia melalui konsep energi diskrit atau terkuantisasi yang dikembangkan oleh Planck dan terbukti sesuai untuk menjelaskan spektrum radiasi kalor benda hitam.

Konsep energi yang terkuantisasi ini digunakan oleh Einstein untuk menjelaskan terjadinya efek fotolistrik. Di sini, cahaya dipandang sebagai kuantum energi yang hanya memiliki energi yang diskrit bukan kontinu yang dinyatakan sebagai E = hf.

Konsep penting yang dikemukakan Einstein sebagai latar belakang terjadinya efek fotolistrik adalah bahwa satu elektron menyerap satu kuantum energi. Satu kuantum energi yang diserap elektron digunakan untuk lepas dari logam dan untuk bergerak ke pelat logam yang lain.

Energi cahaya = Energi ambang + Energi kinetik maksimum elektron

Persamaan ini disebut persamaan efek fotolistrik Einstein. Perlu diperhatikan bahwa W₀ adalah energi ambang logam atau fungsi kerja logam, f₀ adalah frekuensi ambang logam, f adalah frekuensi cahaya yang digunakan, dan E_km adalah energi kinetik maksimum elektron yang lepas dari logam dan bergerak ke pelat logam yang lain.

Dimana m adalah massa elektron dan v_e adalah dan kecepatan elektron. Satuan energi dalam SI adalah joule (J) dan frekuensi adalah hertz (Hz). Tetapi, fungsi kerja logam biasanya dinyatakan dalam satuan elektron volt (eV) sehingga perlu diingat bahwa 1 eV = 1,6 × 10⁻¹⁹ J.

Mekanisme Emisi Efek Fotolistrik

Foton dari sinar mempunyai energi karakteristik yang ditentukan oleh frekuensi cahaya.Dalam proses fotoemisi, kalo elektron dalam beberapa bahan menyerap energi dari satu foton dan dengan itu punya lebih banyak energi daripada fungsi kerja (energi ikat elektron) dari materi, itu dikeluarkan.Kalo energi foton itu terlalu rendah, maka elektron tersebut gak bisa keluar dari materi.Peningkatan intensitas sinar meningkatkan jumlah foton dalam berkas cahaya dan dengan meningkatkan jumlah elektron, tapi gak meningkatkan energi setiap elektron yang dimiliki.

Energi dari elektron yang dipancarkan gak tergantung pada intensitas cahaya yang masuk, tapi cumaa pada energi atau frekuensi foton individual. Ini adalah interaksi antara foton dan elektron terluar.Elektron bisa menyerap energi dari foton saat disinari, tapi mereka biasanya mengikuti prinsip “semua atau tidak”.

Semua energi dari satu foton harus diserap dan dipakai buat membebaskan satu elektron dari atom yang mengikat atau energi dipancarkan kembali.Kalo energi foton diserap, sebagian energi membebaskan elektron dari atom dan sisanya jadi energi kinetik elektron sebagai partikel bebas.Gak ada elektron yang dilepaskan oleh radiasi dibawah frekuensi ambang, karena elektron gak dapat energi yang cukup buat mengatasi ikatan atom.

Elektron yang dipancarkan biasanya disebut fotoelektron dalam banyak buku pelajaran.

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

Berikut ini, ada beberapa hukum dari emisi fotolistrik:

• Buat logam dan radiasi tertentu, jumlah fotoelektro yang dikeluarkan berbanding lurus dengan intensitas cahaya yang dipakai.
• Buat logam tertentu, ada frekuensi minimum radiasi, dibawah frekuensi ini fotoelektron gak bisa dipancarkan.
• Diatas frekuensi tersebut, energi kinetik yang dipancarkan fotoelektron gak bergantung pada intensitas cahaya, tapi bergantung pada frekuensi cahaya.
• Perbedaan waktu dari radiasi dan pemancaran fotoelektron sangat kecil, kurang dari 10⁻⁹ detik.

Kegunaan Efek Fotolistrik

Efek fotolistrik yaitu dasar dari produksi energi listrik oleh radiasi matahari dan penggunaan energi – energi matahari.Efek fotolistrik juga dipakai untuk pembuatan sel yang dipakai dalam pendeteksi nyala boiler dari pabrik termoelektrik besar.Efek tersebut juga merupakan prinsip pengoperasian sensor yang dipakai dalam kamera digital dan dipakai dalam dioda fotosensitif seperti yang dipakai dalam sel fotovoltaik dan dalam elektroskop atau elektrometer.Sekarang, bahan fotosensitif yang umum dipakai yaitu selain berasal dari tembaga (sekarang dipakai lebih sedikit), silikon, yang menghasilkan arus listrik yang lebih besar.

Rumus Efek Fotolistrik

Padaperistiwaefek fotolistrik kita dapat mengetahui beberapa hal antara lain:

1. Rumus Energi Kinetik (Efek Fotolistrik)

E_k = e V₀

Dimana

• e = muatan electron (C)
• V₀ = potensial henti (V)

2. Rumus Frekuensi Ambang

f₀ = ∅/h

dimana

• h = konstanta planck (Js)
• ∅ = fungsi kerja (eV)

3. Rumus Energi Kinetik (Teori Kuantum)

E_k = hf – ∅

E_k = hf – hf₀

E_k = h (f-f₀)

Dimana

• h = konstanta planck (Js)
• f = frekuensi foton (Hz)
• ∅ = fungsi kerja (eV)
• fo =frekuensi ambang (Hz)

4. Rumus Panjang Gelombang

λ₀ =c/f₀ = hc/∅

dimana

• λ₀ = panjang gelombang (m)
• c = kecepatan cahaya (3 10⁸ m/s)
• hc = 1240 eV nm

Setelah kita mengetahui berbagai persamaan dari kasus efek fotolistrik maka kita akan menguji pemahaman anda.

1). Contoh Soal Perhitungan Rumus Energi Foton Efek Fotolistrik

Sebuah logam mempunyai frekuensi ambang 4 x 10¹⁴ Hz. Jika logam tersebut dijatuhi foton ternyata elektron foto yang dari permukaan logam memiliki energi kinetik maksimum sebesar 19,86 × 10^-20 Joule. Hitunglah frekuensi foton tersebut, Jika h = 6,62 × 10^-34 Js

Penyelesaian :

Diketahui :

f_o = 4 × 10¹⁴ Hz

E_k = 19,86 × 10^-20 J

h = 6,62 × 10^-34 Js

Jawab :

Menghitung Fungsi Kerja Elektron –  Efek Fotolistrik

Besernya fungsi kerja dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

W_o = h.f_o

W_o = (6,62 ×10^-34) × (4 ×10¹⁴) J

W_o = 26,48 × 10^-20 J

Menentukan Energi Kinetik Elektron – Efek Fotolistrik

Besarnya energi kinetik yang dialami oleh elektron dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

E = Ek + W_o

E = h.f, sehingga

f = (Ek + Wo)/h

f = (19,86×10^-20 + 26,48×10^-20)/(6,62×10^-34)

f = 7 x 10¹⁴Hz

Jadi frekuensi foton sebesar 7 × 10¹⁴ Hz

 

2). Contoh Soal Perhitungan Rumus Energi Kinetik Efek Fotolistrik

Frekuensi ambang suatu logam sebesar 8,0 × 10¹⁴ Hz dan logam tersebut disinari dengan cahaya yang memiliki frekuensi 10¹⁵ Hz. Jika tetapan Planck 6,6× 10^-34 Js, tentukan energi kinetik elekton yang terlepas dari permukaan logam tersebut!

Penyelesaian:

Diketahui:

f₀ = 8,0 × 10¹⁴ Hz

f = 10¹⁵ Hz

h = 6,6 × 10^-34 Js

Jawab:

Menentukan Energi Kinetik Elektron – Efek Fotolistrik

Besar energi kinetik elekton yang terlepas dari permukaan logam dapat dinyatakan dengan persamaan rumus berikut:

E_k = h.f – h.f₀

E_k = (6,6 ×10^-34) x (10¹⁵ – (8,0 ×10¹⁴))

E_k = 1,32 × 10^-19 J

 

3). Contoh Soal Panjang Gelombang Minimum Tabung Sinar-X

Elektron di dalam tabung sinar-X diberi beda potensial 1000 volt. Pada proses tumbukan, sebuah electron dapat menghasilkan satu foton. Tentukan Panjang gelombang minimum yang dihasilkan oleh tabung sinar-X

Diketahui:

V = 1000 volt

Menghitung Panjang Gelombang Minimum Dari Tabung Sinar-X

Panjang gelombang terpendek sinar X yang dihasilkan dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

λ = h.c/e.V

λ = (6,63×10^-34)(3×10⁸)/(1,6×10^-19)(1000)

λ = 1,24 x10^-9 m

Jadi panjang gelombang minimum dari sinar X adalah 1,24 x10^-9 m

 

4). Contoh Soal Menentukan Frekuensi Ambang Energi Kinetik Maksimum Fotoelektron Beda Potensial Henti Elektro.

Seberkas sinar yang memiliki frekuensi 2×10¹⁵ Hz dijatuhkan pada logam. Fungsi kerja logam 5,8×10^-19 J. Tentukan

a). Frekuensi ambang foton

b). Energi kinetic maksimum fotoelektron

c). Beda potensial henti elektron

Diketahui:

f = 2×10¹⁵ Hz

W = 5,9×10^-19 J

h = 6,63 x 10^-34 Js

Menentukan Frekuensi Ambang Foton

Besar frekuensi ambang yang dimiliki foton dapat dinyatakan dengan persamaan rumus berikut:

f₀ = W/h

f₀ = (5,8×10^-19)/(6,63 x 10^-34)

f₀ = 8,75×10¹⁴ Hz

Menentukan Energi Kinetik Maksimum Fotoelektron

Besarnya energi kinetic maksimum fotoelektron dari sinar dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

E_k = E – W

E_k = h.f – W

E_k = (6,63 x 10^-34)(2×10¹⁵H) – (5,8×10^-19)

E_k = 7,46 x 10^-19 J

Menghitung Beda Potensial Henti Elektron

Besar beda potensial henti electron dapat dinyatakan dengan persamaan rumus berikut:

V₀ = E_k/e

V₀ = (7,46 x 10^-19 J)/(1,6 x10^-19C)

V₀ = 4,66 volt

 

5). Contoh Soal Menghitung Panjang Gelombang Radiasi Foton

Berapakah panjang gelombang sebuah radiasi foton yang memiliki energi 6,1 x 10^-19 Js. Diketahui konstanta Planck, h = 6,626 x10^-34 Js dan cepat rambat cahaya, c = 3 x 10⁸ m/s)

Diketahui:

E = 6,1 x 10^-19 Js

h = 6,626 x10^-34 Js

c = 3 x10⁸ m/s

Mengitung Panjang Gelombang Radiasi Foton

Panjang gelombang sebuah radiasi foton dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

E = h.f atau

E = h.c/ λ

λ = h.c/ E

λ = (6,626×10^-34)(3×10⁸)/(6,1×10^-19)

λ = 3,26 x10^-7 m

λ = 326 nm

Menghitung Energi Foton Dari Gelombang Cahaya

Hitunglah energi foton dari gelombang cahaya yang memiliki frekuensi 3×10¹⁵ Hz.

Diketahui :

h = 6,62 x 10^-34 Js

1 eV = 1,6 .10^-19 Joule

1 Joule = eV

f = 3 x 1014 Hz

Jawab :

Rumus Menghitung Energi Foton

Energi foton yang dikeluarkan dari gelombang cahaya dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

E = h.f

E = (6,62 x10^-34)x(3×10¹⁵)

E = 19,86 x 10^-19 Joule

Baca Juga: Materi Hukum Archimedes - Fluida Statis dan Soal Penyelesaian Hukum Archimedes - Fluida Statis

Penelusuran yang terkait dengan Contoh Soal Efek Fotolistrik

• contoh efek fotolistrik
• rumus efek fotolistrik
• contoh soal efek fotolistrik dan compton
• proses terjadinya efek fotolistrik
• contoh soal efek compton
• manfaat efek fotolistrik
• energi ambang
• rumus potensial henti pada efek fotolistrik