Efek Fotolistrik

Usulan Planck tentang terkuantisasinya energi osilasi molekul mendorong Einstein untuk membuat suatu teori yang juga sangat kontroversial. Ada dua inti dari teori Einstein ini adalah sebagai berikut:

1. Energi cahaya yang saat itu dikenal sebagai gelombang elektromagnetik terkuantisasi dalam bentuk bundel-bundel energi yang besarnya E = hf dengan f menyatakan frekuensi cahaya dan h konstanta Planck.
2. Bundel-bundel energi ini dinamakan foton, dan berkelakuan seperti partikel, tidak seperti gelombang.

Walaupun kelihatan aneh, namun teori Einstein ini mampu menjelaskan secara jelas gejala terjadinya fotolistrik.

Fotolistrik merupakan peristiwa dipancarkannya elektron ketika permukaan suatu logam disinari cahaya. Elektron yang terlepas dinamakan fotoelektron.

Gambar 1 menunjukkan diagram percobaan fotolistrik. Pada gambar tampak bahwa sebuah tabung hampa dengan keping logam K (katoda) yang dihubungkan dengan kutub negatif baterai. Kaping lain A (anoda) dihubungkan dengan kutub positif baterai.

Gambar 1: Skema percobaan fotolistrik

Ketika tabung ditempatkan di tempat gelap, jarum amperemeter menunjukkan angka nol (menunjukkan tidak ada arus yang mengalir dalam rangkaian). Tetapi ketika cahaya monokromatik dengan panjang gelombang tertentu menyinari keping K, jarum amperemeter menyimpang (menunjukkan ada arus yang mengalir dalam rangkaian). Arus ini berasal dari elektron yang terpencar dari keping K dan dikumpulkan di keping A.

Ada dua hasil yang mengejutkan sekali dari percobaan fotolistrik:

1. Fotolistrik tidak tergantung pada intensitas cahaya yang datang
2. Fotolistrik tergantung pada frekuensi cahaya yang datang

Misalnya ketika suatu bahan natrium disinari cahaya dengan frekuensi lebih kecil dari 5,5 x 10¹⁴ Hz tidak terjadi fotolistrik. Walaupun intensitas cahaya diperbanyak sampai ribuan kali, tetap saja tidak terjadi fotolistrik. Tetapi jika frekuensinya dinaikkan dari 5,5 x 10¹⁴ Hz, terdeteksi adanya fotolistrik.

Hasil percobaan ini tentunya sangat mengejutkan fisikawan saat itu. Mereka bingung, mengapa penambahan intensitas (penambahan energi gelombang) tidak mempengaruhi gejalah fotolistrik, padahal setahu mereka cahaya merupakan suatu bentuk gelombang, sehingga ketika gelombang ini diserap elektron , maka energi elektron semakin besar, akibatnya elektron akan lebih mudah terlepas dari logam (terjadi fotolistrik), tetapi kenyataannya tidak demikian!!!

Einstein mencoba menjelaskan fotolistrik ini. Menurut Einstein, cahaya terdiri dari foton-foton yang mempunyai energi sebesar hf. Ketika cahaya mengenai permukaan logam, elektron logam menyerap foton sehingga energinya naik sebesar hf. Jika frekuensi cahaya cukup tinggi maka energi yang diserap ini mampu mengeluarkan elektron dari permukaan logam itu.

Gambar 2: elektron dapat dicungkil keluar jika cukup energi foton yang menyinari logam

Frekuensi terkecil cahaya yang dapat melepaskan elektron dari permukaan logam dinamakan frekuensi ambang, f₀. Sedangkan energi terkecil yang harus diberikan agar elektron terlepas dari permukaan logam disebut energi ambang, E₀, yang besarnya diberikan oleh

E₀ = hf₀

Besarnya energi ambang ini harus sama dengan energi ikat elektron pada logam, ϕ, yaitu:

ϕ = hf₀

ϕ sering disebut fungsi kerja logam.

Ketika energi foton lebih besar dari fungsi kerja logam, kelebihan energi akan digunakan sebagai energi kinetik elektron. Energi kinetik ini dinamakan energi kinetik maksimum, EK_maks. Bedakan ini dengan energi kinetik yang dimiliki elektron ketika tiba di anoda. Energi kinetik elektron yang tiba di anoda bisa lebih kecil dari EK_maks karena dalam perjalanan dari katoda ke anoda, sebagian energi elektron akan hilang akibat tumbukan dengan elektron lain.

Dengan demikian hubungan antara energi kinetik maksimum elektron dengan frekuensi, f cahaya yang datang adalah

hf = ϕ + EK_maks                                                                                      (1)

ketika f = f₀ maka hf₀ = ϕ + EK_maks atau EK_maks = 0 (elektron baru akan terlepas dari inti atom). Persamaan yang diturunkan Einstein ini ternyata cocok dengan hasil eksperimen seperti yang ditunjukkan pada gambar 3. Kemiringan grafik sama dengan h dan perpotongan grafik dengan sumbu y merupakan fungsi kerja logam, ϕ.

Gambar 3: Grafik efek fotolistrik

Persamaan (1) sukar dibuktikan dengan teori gelombang. Menurut teori gelombang, energi gelombang maksimum sebanding dengan kuadrat frekuensi (E ∝ f²). Jika elektron menyerap energi gelombang ini maka energi kinetik maksimum elektron harus sebanding dengan frekuensi kuadrat bukan sebanding dengan f.

Gambar 3c merupakan grafik arus pada percobaan fotolistrik sebagai fungsi beda potensial antara anoda dan katoda (V_AK) untuk dua macam intensitas.

• Ketika V_AK = 0, arus tidak nol
• Ketika V_AK > 0, arus naik sedikit kemudian konstan
• Ketika V_AK < 0, arus turun

Ketika beda potensial negatif mencapai harga tertentu, V_s (disebut beda potensia penghenti), arus nol. Yang aneh adalah nilai beda potensial V_s ini sama untuk semua intensitas.

Hasil percobaan di atas tidak dapat dijelaskan dengan teori gelombang. Namun secara brilian Einstein dapat menjelaskan hasil ini.

Ketika permukaan logam diberi cahaya dengan frekuensi f, elektron mendapat energi kinetik maksimum sebesar

EK_maks = hf – hf₀

1. Ketika V_AK = 0, sebagian besar elektron yang terpancar dari katoda akan tiba di anoda. Arus akan terdeteksi di galvanometer. (catatan: ada sebagian elektron yang tidak mencapai anoda. Hal ini disebabkan karena ketika bergerak elektron ini bertumbukkan dengan sesamanya. Tumbukkan ini menyebabkan elektron terhambur menjauhi anoda).
2. Ketika V_AK > 0: elektron-elektron mendapat tarikan untuk mencapai anoda sehingga lebih banyak elektron yang tiba di anoda. Arus yang mengalir bertambah besar. Arus mencapai maksimum ketika semua elektron yang terpancar mencapai anoda.
3. Ketika V_AK < 0: elektron-elektron yang terpancar dari anoda mengalami hambatan akibat medan listrik sehingga hanya sedikit yang tiba di anoda. Arus lebih kecil dan arus sama sekali nol ketika energi potensial elektron akibat potensial ini sama dengan atau lebih besar dari energi kinetik maksimum elektron.

eV_s = hf – hf₀

Karena nilai EK_maks hanya tergantung pada hf dan ϕ, maka nilai V_s juga hanya tergantung pada hf dan ϕ, tidak bergantung pada intensitas cahaya yang datang. Itulah sebabnya nilai V_s sama untuk semua intensitas.

Einstein berpendapat bahwa intensitas cahaya berhubungan dengan jumlah foton. Tiap foton berhubungan dengan satu elektron. Semakin banyak jumlah foton semakin banyak elektron yang menyerap foton. Itu sebabnya pada gambar 3c semakin besar intensitas, semakin besar arus yang dihasilkan.

Banyaknya jumlah foton tidak berpengaruh pada energi listrik elektron sehingga intensitas cahaya tidak akan berpengaruh pada besar beda potensial penghenti. Peristiwa fotolistrik berlangsung sangat cepat. Elektron terpancar hanya dalam waktu yang sangat singkat sekali (sekitar 10^-9 sekon) setelah menyinaran.

Jika cahaya berkelakuan seperti gelombang, elektron membutuhkan waktu yang cukup lama untuk menyerap energi agar dapat terlepas dari permukaan logam. Jadi, di sini jelas bahwa cahaya tidak berkelakuan sebagai gelombang.

Einstein mencoba menjelaskan ini dan menganggap bahwa ketika permukaan logam disinari, jutaan foton secara serentak diserap oleh jutaan elektron sehingga dalam waktu sangat singkat akan terdeteksi arus. Secara tegas Einstein menekankan bahwa cahaya dapat berkelakuan sebagai partikel.

Kemampuan Einstein untuk menjelaskan fotolistrik ini memaksa orang untuk menerima pendapat Einstein bahwa cahaya dapat berkelakuan sebagai partikel. Apalagi ditambah dengan percobaan Compton yang membuktikan bahwa sungguh cahaya dapat berkelakuan sebagai partikel.

Ini sulit dipercaya orang! Bagaimana mungkin suatu gelombang (seperti cahaya) dapat berkelakuan seperti partikel? Bagaimana mungkin cahaya pada percobaan Young berkrlakuan seperti gelombang tetapi pada percobaan fotolistrik berkelakuan seperti partikel? Apakah cahaya punya otak sehingga tahu kapan berkelakuan sebagai gelombang dan kapan sebagai partikel? Sampai sekarang orang belum dapat menjelaskan hal ini. Orang hanya bisa menerima bahwa cahaya mempunyai sifat ganda (dualisme cahaya).