Wednesday, June 14, 2017

Teori Cahaya Foton dan Efek Fotoelektrik

Pada 1905, pada tahu yang sama Einstein memperkenalkan teori relativitas khusus, Einstein membuat sebuah pengembangan yang besar dari ide quantum dengan mengusulkan sebuah teori baru tentang cahaya. Karya Planc telah menyarankan bahwa energy getaran dari molekul dalam sebuah object beradiasi dikuantisasi dengan energy E=nhf, di mana n adalah sebuah bilangan bulat dan f adalah frekuensi dari getaran molekul. Einstein berpendapat bahwa ketika cahaya dipancarkan dengan sebuah osilator molekuler, energy getaran molekul dari nhf harus berkurang sejumlah hf (atau sejumlah 2hf dst) ke bilangan bulat kali f seperti (n-l)hf. Kemudian untuk menjaga energy, cahaya harus dipancarkan dalam paket atau quanta, tiap paket dengan sebuah energy.
E = hf,             (1)
Di mana f di sini adalah frekuensi dari cahaya yang dipancarkan.
Sekali lagi h adalah konstanta Planck. Karena semua cahaya pada awalnya berasal dari sebuah sumber radiasi, hal ini menandakan bahwa mungkin cahaya dipancarkan sebagai sebuah partikel kecil, atau sekarang disebut foton, sebagai mana juga melalui gelombang seperti yang diprediksikan oleh teori Elektromagnet Maxwell. Teori Cahaya Foton adalah sebuah perubahan radikal dari ide klasik.
Einstein mengusulkan sebuah pengujian untuk teori cahaya quantum: pengukuran kuantitatif dari efek fotolistrik.
Ketika cahaya menyinari sebuah permukaan logam, electron ditemukan terpancar dari permukaan. Efek ini disebut efek fotolistrik dan terjadi pada banyak bahan, namun yang paling mudah diamati dengan logam. Efek tersebut bisa diamati dengan menggunakan peralatan yang ditunjukkan dalam gambar 1. sebuah lempengan logam P dan sebuah elektroda kecil secara hati-hati diletakkan di dalam sebuah tabung kaca yang dipisahkan, yang disebut photocell. Dua elektroda dihubungkan pada sebuah ammeter dan sebuah sumber emf, seperti yang ditunjukkan. Ketika photocell dalam kegelapan, ammeter menunjukkan 0. Namun ketika cahaya secara cukup bersinar dengan frekuensi tinggi pada lempengan, ammeter menunjukkan sebuah arus yang mengaliri rangkaian.  Kita menjelaskan keseluruhan rangkaian dengan membayangkan bahwa electron, yang dikeluarkan dari lempengan dengan radiasi yang menimpa, aliran melintasi tabung dari lempengan ke collector C seperti pada gambar 1.

Gambar 1. Efek Fotolistrik
Elektron tersebut harus dipancarkan ketika cahaya menyinari sebuah logam konsisten dengan teori cahaya gelombang electromagnet(EM): medan listrik dari sebuah gelombang EM mampu mengeluarkan sebuah gaya pada electron dalam logam dan menolak beberapa yang lain.
Namun, Einstein menekankan bahwa teori gelombang dan teori cahaya foton memberikan prediksi yang cukup berbeda pada detail dari efek foto listrik. Sebagai contoh, salah satu hal yang bisa diukur dengan perangkat pada gambar 1 adalah energy kinetic maksimum (Kmax) dari electron yang dikeluarkan. Hal ini bisa dilakukan dengan menggunakan sebuah sumber tegangan yang bisa diubah-ubah dan terminal yang dibalik sehingga elektroda C negative dan P positif.
Electron yang dikeluarkan dari P akan ditolak oleh elektroda negative, namun jika tegangan terbalik ini cukup kecil, electron tercepat akan tetap menjangkau C dan akan muncul arus dalam rangkaian. Jika tegangan terbalik naik, sebuah titik akan dicapai di mana arus mencapai no atau tidak ada electron dengan cukup energy kinetic untuk mencapai C. ini disebut potensial stopping, atau voltase stopping, V0, dan dari pengukurannya, Kmax bisa ditentukan menggunakan konservasi energy (energy kinetic yang hilang=energy potensial yang didapat):
Kmax = eV0.
Mari kita periksa detail dari efek fotolistrik dari sudut pandang teori gelombang versus teori partikel Einstein.
Pertama, teori gelombang, misalkan cahaya monokromatis. Dua sifat penting dari sebuah gelombang cahaya adalah intensitasnya dan frekuensinya atau (panjang gelombang). Ketika dua kuantitas ini berubah, teori gelombang membuat dua prediksi berikut:

1. Jika intensitas cahaya meningkat, jumlah electron yang keluar dan energy kinetic maksimum harus naik karena intensitas yang tinggi berarti nilai meda listrik yang lebih besar, dan semakin besar medan listrik seharusnya mengeluarkan electron dengan kecepatan lebih tinggi.
2. Frekuensi dari cahaya tidak seharusnya mempengaruhi energy kinetic dari electron yang terlempar. Hanya intensitas yang seharusnya mempengaruhi Kmax.

Teori photon membuat prediksi yang sepenuhnya berbeda. Pertama, kita mencatat bahwa dalam sebuah berkas cahaya monokromatis, semuah foton mempunyai energy yang sama(=hf).  Kenaikan intensitas berkas cahaya berarti meningkatkan jumlah foton dalam berkas, namun tidak mempengaruhi energy dari tiap foton selama frekuensi tidak berubah. Menurut teori Einstein, sebuah electron dilempar dari logam dari tumbukan dengan sebuah foton tunggal. Dalam prosesnya, semua energy foton dipindahkan ke electron dan foton akhirnya tidak ada lagi. Karena electron dipegang dalam logam dengan gaya tarik-menarik, sejumlah energy minimum W0 dibutuhkan untuk mengeluarkan electron dari permukaan.



Artikel Terkait