EFEK FOTOLISTRIK
2.3 PENJELASAN TEORETIS
2.3.2 Penjelasan Berdasarkan Teori Einstein: Pengkuantuman Cahaya
s 120 W 10 2,5 J 10 1,6 2,1 21 19 t .
Jadi, berdasarkan analisis ini, untuk dapat lepas dari ikatannya, elektron harus mengumpulkan energi minimal selama 2,3 menit. Perhitungan di atas menunjukkan bahwa elektron baru terlepas dari permukaan logam setelah logam disinari sekitar 2,3 menit. Sebagai-mana telah disebutkan, waktu tunda sebesar ini tidak pernah ter-amati. Bahkan untuk intensitas yang 10 kali lebih lemah dari yang digunakan dalam perhitungan ini, yaitu 10 W/m2, waktu tunda tersebut tidak lebih dari 1 ns.
Penjelasan Gambar 2.2d (Kuat Arus Fotoelektrik Berbanding Lurus Terhadap Intensitas Cahaya)
Kebergantungan secara linear kuat arus fotoelektrik (jadi juga cacah elektron-foto) terhadap intensitas cahaya ini sepenuhnya sesuai dengan faham cahaya sebagai gelombang. Jika intensitas cahaya dinaikkan maka energi yang diterima elektron juga meningkat. Akibatnya, energi dan atau cacah elektron-foto yang dihasilkan juga meningkat sehingga arus elektron-fotoelektrik yang dihasilkan juga meningkat.
Dari uraian di atas dapat disimpulkan bahwa faham klasik, yang menya-takan cahaya sebagai gelombang, tidak mampu memberikan penjelasan yang memadai tentang data eksperimen efek fotolistrik.
2.3.2 Penjelasan Berdasarkan Teori Einstein: Pengkuantuman Cahaya
Tampaknya kunci untuk memecahkan persoalan di atas adalah bagaimana menjelaskan adanya frekuensi ambang dan tiadanya waktu tunda. Lebih lanjut, karena lepas tidaknya elektron akibat penyinaran berkait erat dengan proses transfer energi dari cahaya ke elektron, maka kunci pemecahan tadi dapat kita arahkan pada bagaimana proses transfer energi tersebut terjadi.
Proses transfer energi berdasarkan faham cahaya sebagai gelombang telah kita diskusikan di depan. Hasilnya, sebagaimana kita ketahui, tidak cocok de-ngan data eksperimen. Tampaknya, selama cahaya dipandang sebagai gelom-bang maka data eksperimen efek fotolistrik tidak dapat dipecahkan secara memuaskan.
Untuk memecahkan masalah tersebut, Einstein mempostulatkan bahwa
energi yang dibawa oleh cahaya terdistribusi secara diskret dalam bentuk paket-paket energi, bukan terdistribusi secara kontinu sebagaimana dinyatakan oleh teori
gelom-Penjelasan teoretis 41 bang. Paket-paket energi ini akan tetap terlokalisir (tidak memudar) ketika bergerak menjauhi sumbernya. Dengan demikian, paket-paket energi ini berperilaku sebagai partikel: kehadirannya terlokalisir, artinya pada saat ter-tentu akan menempati ruangan yang sangat terbatas dan terter-tentu pula. (Perhatikan Gambar 2.3 berikut).
Selanjutnya, paket energi bakpartikel ini disebut foton. Karena foton selalu bergerak dengan laju c, maka menurut teori relativitas, massa foton haruslah nol. Energi tiap foton tergantung pada frekuensinya, yaitu
,
h
=
(2. 3 )dengan h menyatakan tetapan Planck.
Interaksi foton dengan partikel, misalnya dengan elektron seperti pada gejala efek fotolistrik, dipostulatkan sebagai berikut. Setiap foton berinteraksi hanya dengan satu elektron tunggal. Tidak pernah suatu foton membagi energinya kepada lebih dari satu elektron. Lebih lanjut, karena elektron pada gejala efek fotofolistrik dalam keadaan terikat kuat, maka agar tidak melanggar hukum kekekalan energi dan hukum kekekalan momentum, proses transfer Gambar 2.3 Gambaran dua dimensi distribusi energi yang dibawa oleh berkas
cahaya yang dipancarkan dari sumber cahaya titik. Gambar (a): distribusi energi menurut teori gelombang: energi tersebar secara kontinu. Gambar (b): distribusi energi menurut teori Einstein: energi tersebar dalam bentuk paket-paket energi bak-partikel yang disebut foton.
42 Penjelasan teoretis
energi dari foton ke elektron ini memiliki sifat sebagai berikut. Jika energi foton
cukup untuk melepas elektron dari ikatannya maka ada peluang bagi foton untuk memberikan energinya. Tetapi, jika energi foton tidak cukup maka foton tidak mem-berikan energinya. Jadi, hanya ada dua kemungkinan yang terjadi, yaitu foton memberikan seluruh energinya, atau sama sekali tidak memberikan energinya kepada elektron.
Jika energi foton melebihi energi untuk melepaskan elektron dari ikat-annya maka sisa energi itu akan diubah menjadi energi gerak (energi kinetik) elektron. Sebaliknya, jika energinya tidak cukup untuk melepaskan elektron, maka foton tadi tidak akan memberikan energinya kepada elektron yang bersangkutan.
Bagaimana postulat tersebut menjelaskan semua data eksperimen efek fotolistrik? Marilah kita lihat satu per satu data pengamatan pada Gambar 2.2 di depan secara berurutan, dari Gambar 2.2a s/d Gambar 2.2d.
Penjelasan Gambar 2.2a (Diperlukan Frekuensi Ambang Untuk Menghasilkan Efek Fotolistrik)
Gejala diperlukannya frekuensi ambang untuk menghasilkan efek fo-tolistrik dengan mudah dapat dijelaskan berdasarkan postulat Einstein. Lepas tidaknya elektron hanya bergantung pada besarnya energi foton yang mem-benturnya. Jika energi foton melebihi energi ikat elektron maka elektron berkemungkinan untuk terlepas. Karena energi foton hanya bergantung pada frekuensinya, yaitu semakin tinggi frekuensinya semakin besar energinya, maka jelaslah bahwa untuk menghasilkan efek fotolistrik diperlukan cahaya dengan frekuensi di atas frekuensi ambang.
Untuk memperjelas uraian di atas, ada baiknya persamaan garis lurus (Persamaan 2.2) di depan kita tulis ulang dengan sedikit modifikasi menjadi
hv = Kmaks + hv0 . (2.4) Ruas kiri menyatakan energi yang akan diserahkan foton kepada elektron ketika berbenturan. Jadi ruas kanan adalah energi yang diperoleh elektron tepat setelah dibentur foton. Energi ini akan digunakan elektron untuk melepas ikatannya, dan sisanya (jika ada) digunakan sebagai energi gerak. Elektron yang terikat paling lemah akan terlepas dengan energi kinetik paling besar, dilambangi Kmaks. Selanjutnya, suku terakhir ruas kanan (hv0) diartikan sebagai energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron yang terikat paling lemah. Jadi sama dengan energi ikat elektron tersebut. Energi ikat elektron ini sering disebut sebagai fungsi kerja dan dilambangi . Elektron dapat dilepaskan dari
Penjelasan teoretis 43
logam jika energi foton yang membenturnya paling sedikit sama dengan ; jadi hanya jika hv > hv0. Dengan demikian sangatlah jelas bahwa untuk melepaskan elektron dari suatu logam tertentu diperlukan cahaya yang memiliki frekuensi minimal sama dengan frekuensi ambang v0.
Penjelasan Gambar 2.2b (Energi Kinetik Elektron-foto Tidak Bergantung Intensitas Cahaya)
Untuk menjelaskan gejala yang ditunjukkan pada Gambar 2.2b ini, per-tama-tama kita definisikan intensitas cahaya berdasarkan faham cahaya sebagai partikel (foton). Berdasarkan faham ini, intensitas cahaya diartikan sebagai energi tiap foton dikalikan cacah foton yang menembus satu satuan luas
per-mukaan secara tegaklurus tiap satu satuan waktu. Dengan demikian, besar kecilnya intensitas cahaya menunjukkan banyak-sedikitnya cacah foton, bukan besar-kecilnya energi tiap foton. Ingat bahwa, berdasarkan definisinya, energi foton hanya bergantung pada frekuensi.
Besarnya energi kinetik elektron-foto sama dengan besarnya energi foton dikurangi energi ikat elektron. Karena transfer energi dari foton ke elektron berlangsung satu lawan satu maka besarnya energi kinetik elektron hanya bergantung pada besarnya energi foton yang membenturnya. Karena energi foton hanya bergantung pada frekuensi, bukan pada intensitas, maka harus disimpulkan bahwa intensitas cahaya tidak mempengaruhi besarnya energi kinetik elektron-foto yang dihasilkan.
Penjelasan Gambar 2.2c (Tidak ada Waktu Tunda Antara Penyinaran Sampai Terjadinya Arus Fotoelektrik)
Berdasarkan postulat Einstein di atas, maka pelepasan elektron dapat terjadi tanpa waktu tunda yang berarti; sebab lepas tidaknya elektron itu tidak ditentukan oleh seberapa banyak jumlah energi yang berhasil dikumpulkan elektron, melainkan ditentukan oleh berapa besar energi foton yang menumbuk
elektron tadi. Jika energi foton lebih besar daripada energi ikat elektron, maka elektron akan terlepas dari permukaan logam dan foton yang membentur tadi lenyap. Sebaliknya, jika energi foton tadi sangat lemah, maka elektron tidak terlepas dan foton tidak memberikan energinya kepada elektron. Karena transfer energi dari foton ke elektron menyerupai benturan antara dua partikel, maka tidak diperlukan adanya waktu tunda.
Penjelasan Gambar 2.2d (Kuat Arus Fotoelektrik Berbanding Lurus Terhadap Intensitas Cahaya)
44 Komplementaritas gelombang-partikel
Berdasarkan definisi intensitas cahaya sebagaimana disebutkan di depan, kenaikan intensitas menunjukkan kenaikan cacah foton yang membentur per-mukaan logam. Ini mengakibatkan bertambahnya cacah elektron-foto yang dilepaskan logam. Dengan demikian, jelaslah bahwa semakin tinggi intensitas cahaya semakin besar arus fotoelektrik yang dihasilkan.
Dari uraian di atas dapat disimpulkan bahwa efek fotolistrik dapat di-jelaskan secara memuaskan jika cahaya dipandang sebagai aliran entitas bak-partikel yang disebut foton. Bukan sebagai bentuk gelombang sebagaimana dinyatakan dalam fisika klasik.
Partikel cahaya (foton) memiliki energi sebesar = h. Berdasarkan teori relativitas, foton juga memiliki momentum yang besarnya p = /c = h/c = h/, dengan = panjang gelombang cahaya.
2.4 KOMPLEMENTARITAS WATAK GELOMBANG DAN