Efek Fotolistrik, Teori Kuantum Plank, Hukum Emisi, Fungsi Kerja, Energi Ambang, Contoh Soal Perhitungan

Pengertian Efek Fotolistrik: Efek Fotolistrik adalah pelepasan electron dari suatu permukaan logam ketika disinari oleh cahaya akibat penyerapan radiasi elektromagnetik berfrekuensi di atas ambangnya yang tergantung pada jenis permukaannya.

Pengertian Foton

Cahaya merambat dalam bentuk paket-paket energy yang disebut dengan foton. Cahaya bersifat sebagai partikel dan sebagai gelombang karena cahaya juga melakukan peristiwa interferensi, difraksi, dan polarisasi. Selain itu, cahaya juga termasuk salah satu gelombang elektromagnetik.

Teori Kuantum Plank

Setiap benda yang mengalami radiasi akan memancarkan energinya secara diskontinu (diskrit) berupa paket- paket energi. Paket -paket energi ini dinamakan kuanta (istilah kuata sekarang dikenal sebagai foton).

Efek Fotolistrik, Pembahasan Contoh Soal Ujian Hukum Emisi Fotolistrik
Efek Fotolistrik, Pembahasan Contoh Soal Ujian Hukum Emisi Fotolistrik

Menurut Max Planck, cahaya merupakan gelombang elektromagnetik yang merupakan kuanta bergerak dengan kecepatan cahaya yang disebut foton dan memiliki dua sifat yaitu sebagai dan partikel.

Rumus Energi Foton – Efek Fotolistrik

Energi setiap foton sebanding dengan frekuensi gelombang radiasi dan dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan berikut:

E = h.f = (h.c)/λ

Dengan  keterangan

E = energi foton (joule)

f = frekuensi foton (Hz)

h = tetapan Planck (h = 6,6×10-34 Js)

c = kecepatan cahaya (3,0 x108 m/s)

λ= Panjang gelombang cahaya, m

Contoh Soal Sinar Jingga Rumus Energi Foton pada Peristiwa Efek Fotolistrik

Sinar jingga dengan panjang gelombang 6600 Å dipancarkan dari suatu benda hitam yang mengalami radiasi. Tentukan energi foton yang terkandung pada sinar jingga tersebut?

Penyelesaian

Diketahui

λ = 6.600 Å = 6,6×10-7 m

c = 3 x108 m/s

h = 6,6 x10-34 Js

Menghitung Energi Foton Sinar Jingga – Efek Fotolistrik

Kuanta energi sinar jingga dapat dinyatakan dengan persamaan yang memenuhi rumus berikut :

E =h.f atau

E = (h.c)/λ

E = (6,6 x10-34 x3 x108)/6,6×10-7

E = 3x 10-19 Joule

Contoh Soal Lainnya Beserta Pembahasan Ada Di Akhir Artikel

Hukum Emisi Fotolistrik.

Untuk logam dan radiasi tertentu, jumlah fotoelektron yang dikeluarkan (atau laju electron yang terpancarkan) berbanding lurus dengan intensitas cahaya yang digunakan.

Untuk logam tertentu, terdapat frekuensi minimum radiasi. Jika di bawah frekuensi minimumnya, maka fotoelektron tidak dapat dipancarkan.

Energy kinetika yang dipancarkan fotoelektron tidak tergantung pada intensitas cahaya, namun tergantung pada frekuensi cahaya.

Perbedaan waktu dari radiasi dan pemancaran fotoelektron sangat kecil, kurang daripada 10-9 detik.

Energi Kinetik –  Efek Fotolistrik.

Energi yang dibawa foton adalah dalam bentuk paket, sehingga energi ini jika diberikan pada electron akan diberikan seluruhnya, sehingga foton tersebut lenyap.

Electron terikat pada energi ikat tertentu, dengan demikian diperlukan energi minimal sebesar energi ikat electron tersebut agar dapat terlepas dari ikatannya. Elektron yang terlepas dari permukaan logam akibat efek fotolistrik disebut foto electron (electron foto)

Fungsi Kerja – Energi Ambang – Efek Fotolistrik

Besarnya energi minimal yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari energi ikatnya disebut fungsi kerja dan diberi notasi Wo, atau biasa disebut juga sebagai energi ambang. Besarnya Wo tergantung pada jenis logam yang digunakan.

Apabila energi foton yang diberikan pada elektron lebih besar dari fungsi kerjanya, maka kelebihan energi tersebut akan berubah menjadi energi kinetik elektron. Akan tetapi jika energi foton lebih kecil dari energi ambangnya (h.f < Wo) maka tidak akan menyebabkan foto elektron.

Frekuensi Panjang Gelombang Ambang – Efek Fotolistrik

Frekuensi foton terkecil yang mampu menimbulkan elektron foto disebut frekuensi ambang. Sebaliknya panjang gelombang terbesar yang mampu menimbulkan foto elektron disebut Panjang gelombang ambang.

Rumus Hubungan Energi Foton – Fungsi Kerja – Energi Kinetik Foto Elektron

Hubungan antara energi foton, fungsi kerja dan energi kinetik foto elektron dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan berikut:

Ek = E – W

Ek = h.f – h.f0

Keterangan:

Ek = Energy kinetic electron (J)

E  = Energy foton (J)

W = Energi ambang elektron atau fungsi kerja (J)

h = Konstanta Planck = 6,63 x 10-34 Js

f = Frekuensi foton (Hz)

f0 = Frekuensi ambang (Hz)

Energy biasanya dinyatakan dalam satuan electron volt (eV) dengan ketentuan 1 eV sama dengan 1,6 x 10-19 J.

Energi foton digunakan untuk melepaskan electron dari permukaan logam, dan sisa energinya digunakan untuk bergerak atau sebagai energi kinetic dari electron yang lepas.

Kekekalan Energi Efek Fotolistrik

Seperti energi energi yang lainnya, Energi foton juga dapat memenuhi kekakalan secara umum. Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan tetapi dapat berubah ke bentuk lain.

Kekekalan energi menjelaskan bahwa energi cahaya dapat berubah ke bentuk lain atau cahaya dapat dibentuk dari energi lain.

Contoh perubahan energi cahaya menjadi energi listrik adalah pada solar sel yaitu dapat diubah menjadi energi listrik.

Contoh lainnya adalah energi listrik yang dapat berubah menjadi energi gelombang elektromagnetik yaitu produksi sinar-X.

Elektron bergerak dengan cepat dan menumbuk logam pada anoda dan meradiasikan energi. Energi ini yang dikenal sebagai sinar-X.

Sinar-X pertama kali ditemukan oleh Wilhelm Roentgen tahun 1895 sehingga dinamakan juga sinar-Roentgen.

Rumus Energi Listrik Elektron

Hubungan energi foton dan energi listrik elektron ini memenuhi hubungan berikut.

keterangan:

λ = panjang gelombang foton (sinar-X)

h = tetapan Planck

h = (6,63×10-34 Js)

c = cepat rambat gelombang elektromagnetik

c = (3×108 m/s)

e = muatan elektron

e = (1,6×10-19 C)

V = beda potensial pemercepat elektron (volt)

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 :

fo = 4 × 1014 Hz

Ek = 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:

Wo = h.fo

Wo = (6,62 ×10-34) × (4 ×1014) J

Wo = 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 + Wo

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:

Ek = h.f – h.f0

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

Ek = 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:

Ek = E – W

Ek = h.f – W

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

Ek = 7,46 x 10-19 J

Menghitung Beda Potensial Henti Elektron

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

V0 = Ek/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

6). Contoh Soal Ujian dan Pembahasan Materi Efek Fotolistrik.

Perhatikan pernyataan berikut:

  • Electron yang terpancar pada peristiwa efek fotolistrik disebut electron foton
  • Laju electron yang terpencar tidak bergantung pada intensitas cahaya yang mengenai permukaan logam
  • Energy kinetic electron yang terpencar tergantung pada energy gelombang cahaya yang mengenai permukaan logam
  • Untuk mengeluarkan electron dari permukaan logam tidak bergantung pada frekuensi ambang, f0.

Pernyataan yang benar tentang efek fotolistrik adalah:

A..(1) dan (2)    B..(1) dan (3)    C..(2) dan (3)    D..(2) dan (4)    E..(3) dan (4)

Jawaban: B

Pembahasan:

Electron yang terpencar pada peristiwa efek fotolistrik disebut electron foton atau fotoelektron. Jadi Pernyataan (1) adalah benar.

Intensitas cahaya tidak bergantung pada keluar atau tidaknya electron dari logam, namun tergantung pada laju atau jumlah electron yang keluar dari logam. Jadi Pernyataan (2) salah

Energy electron yang terpencar dari permukaan logam bergantung pada energy foton yang mengenai logam, Ek = E – W. Jadi Pernyataan (3) Benar

Electron akan keluar dari logam jika frekuensi foton yang datang lebih besar dari frekuensi ambang logam, Ek = hf – hf0. Jadi Pernyataan (4) Salah

Daftar Pustaka:

  1. Sears, F.W – Zemarnsky, MW , 1963, “Fisika untuk Universitas”, Penerbit Bina Cipta, Bandung,
  2. Giancoli, Douglas C. 2000. Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics, Third Edition. New Jersey, Prentice Hall.
  3. Halliday, David, Robert Resnick, Jearl Walker. 2001. Fundamentals of Physics, Sixth Edition. New York, John Wiley & Sons.
  4. Tipler, Paul, 1998, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 1,Pernerbit Erlangga, alih bahasa: Prasetyo dan Rahmad W. Adi, Jakarta.
  5. Tipler, Paul, 2001, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 2, Penerbit Erlangga, alih bahasa: Bambang Soegijono, Jakarta.
  6. Ganijanti Aby Sarojo, 2002, “Seri Fisika Dasar Mekanika”, Salemba Teknika,
  7. Giancoli, Douglas, 2001, “Fisika Jilid 1, Penerbit Erlangga, Jakarta.
  8. Ringkasan Rangkuman: Menurut Max Planck pemancaran dan penyerapan energi radiasi pada benda hitam dinyatakan sebagai paket-paket energi atau kuantum yang disebut foton, setiap foton membawa energi sebesar hf.
  9. Besarnya Energi Radiasi benda hitam oleh Stefan–Boltmanz dinyatakan dalam persamaan W = e.s.A.T4
  10. Peristiwa keluarnya elektron dari permukaan logam karena disinari dengan cahaya atau foton disebut Efek Fotolistrik, elektron yang terlepas disebut Elektron Foto. Besarnya energi kinetik maksimum electron foto tidak tergantung pada intensitas cahaya yang dijatuhkan tetapi tergantung pada frekuensi foton (cahaya).
  11. Frekuensi Ambang yaitu frekuensi foton terendah yang mampu menimbulkan efek fotolistrik. (fo).
  12. Fungsi kerja (Energi Ambang ) yaitu energi terendah dari foton agar mampu menimbulkan efek fotolistrik (Wo).
  13. Besarnya Energi Kinetik maksimum elektron foto dinyatakan dalam persamaan Ek = E – Wo atau Ek = h (f – fo)
  14. Ardra.Biz, 2019, “Efek Fotolistrik, Energi Ambang Elektron, Energi Foton, Energi Kinetika Elektron, Frekuensi Ambang Elektron, Hukum Emisi Fotolistrik, Konstanta Planck, Pembahasan Contoh Soal Ujian Efek Fotolistrik, Pengertian Efek Compton,
  15. Ardra.Biz, 2019, “Pengertian Efek Fotolistrik, Pengertian Fotoelektron, Pengertian Radiasi Elektromagnetik, Rumus Efek Fotolistrik, paket energy foton, Cahaya bersifat partikel dan gelombang, Teori Kuantum Max Plank, paket energi kuata, Energi Radiasi diskontinu (diskrit),
  16. Ardra.Biz, 2019, “Satuan Besar kecepatan cahaya, Rumus Persamaan Energi Foton, Satuan Lambang Energi Foton, Nilai Satuan tetapan Planck, Panjang gelombang cahaya, Contoh Soal Sinar Jingga Rumus Energi Foton pada Peristiwa Efek Fotolistrik,
  17. Ardra.Biz, 2019, “Kuanta energi sinar jingga, frekuensi minimum radiasi, Energy kinetika foto listrik, Pengertian fotoelektron, Rumus Efek Fotolistrik, Pengertian fungsi kerja fotolistrik, energi ambang fotolistrik, satuan energi ambang fotolistrik,
  18. Ardra.Biz, 2019, “Panjang gelombang ambang, Frekuensi foton terkecil, Satuan lambang Energi ambang elektron atau fungsi kerja, Fungsi energi foton, Contoh Soal Perhitungan Rumus Energi Foton Efek Fotolistrik, Contoh Soal Perhitungan Rumus Energi Kinetik Efek Fotolistrik,