Efek Fotolistrik dan Efek Compton

Salah satu konsep yang terdengar menarik dalam konsep fisika adalah dualisme gelombang partikel. Anggapan cahaya yang selama ini hanya dianggap dalam konsep gelombang, kini mempunyai pandangan lain yaitu cahaya juga dianggap sebagai partikel dalam bentuk kuanta energi yang disebut foton. Beberapa eksperimen yang menunjukkan keadaan tersebut diantaranya adalah efek fotolistrik dan efek Compton yang akan dibahas pada bagian selanjutnya. Sebagai contoh adalah panel surya merupakan sebuah bahan metal yang dijadikan sebagai sumber energi listrik yang berasal dari matahari. Energi cahaya menyinari permukaan panel surya kemudian ditransformasikan ke dalam energi listrik yang dimanfaatkan untuk kepentingan umat manusia.



Efek Fotolistrik
Ketika munculnya gagasan kuantisasi energi cahaya yang digagas Planck, Einstein secara cepat mengaplikasikannya gagasan kuantisasi cahaya dalam peristiwa efek fotolistrik. Efek fotolistrik itu sendiri menjelaskan prilaku cahaya yang dianggap sebagai pertikel ketika bertumbukan dengan elektron-elektron dalam logam. Suatu sketsa peristiwa efek fotolistrik dapat dilihat seperti pada gambar di bawah ini.


Ketika suatu cahaya mengenai permukaan logam, partikel cahaya yang disebut foton mempunyai energi yang bersesuaian dengan frekuensinya akan memberikan seluruh energinya pada elektron yang ditumbuknya. Satu foton hanya berinteraksi dengan satu elektron. Itu artinya jika energi satu foton yang diberikan cukup untuk mengeluarkan satu elektron, satu elektron akan keluar dari permukaan logam. Secara matematis hubungan energi tersebut dapat dituliskan:





Dari persamaan di atas h menunjukkan konstanta Planck, f merupakan frekuensi cahaya yang menyinari, fo merupakan frekuensi ambang logam yang disinari, e menunjukkan muatan elektron, dan V menunjukkan potensial henti elektron. Potensial henti merupakan tegangan yang diperlukaan agar elektron yang keluar dari permukaan logam terhenti geraknya. Grafik hubungan energi elektron dengan frekuensi cahaya dapat digambarkan pada gambar di bawah ini.


Grafik (a) menjelaskan bagaimana frekuensi cahaya yang menyinari logam mempengaruhi energi kinetik elektron. Ketika energi cahaya lebih besar dari energi ambang, pengubahan frekuensi cahaya menjadi lebih tinggi tentunya akan meingkatkan kelajuan elektron yang keluar dari permukaan logam karena energi kinetiknya bertambah. Sementara itu, grafik (b) menunjukkan bahwa pengubahan intensitas cahaya ke yang lebih tinggi tidak mempengaruhi potensial henti elektron atau energi kinetik elektron, tetapi menjadikan jumlah elektron yang keluar semakin banyak. Ini berarti bahwa arus yang terdeteksi semakin meningkat pula seiring meningkatnya intensitas cahaya yang menyinari logam.



Kaji-1: Logam natrium  mempunyai energi ambang atau fungsi kerja logam 2.28 eV disinari oleh foton yang berpanjang gelombang 500 nm. Tentukanlah energi cahaya dan energi kinetik elektron yang keluar dari permukaan logam!

Jawab:
Besaran yang diketahui.

Energi foton atau cahaya yang menyinari logam.

Energi kinetik dari elektron yang keluar dari permukaan logam adalah

Latih-1: Logam natrium  mempunyai energi ambang atau fungsi kerja logam 2.28 eV disinari oleh foton yang berpanjang gelombang 400 nm. Tentukanlah energi cahaya dan energi kinetik elektron yang keluar dari permukaan logam!

Kaji-2: Berkas cahaya yang membawa kuanta energi 3.5 x 10^(-19) Joule mengenai katoda sel. Arus fotolistrik yang timbul dapat dihentikan oleh beda potensial 0.25 Volt. Tentukanlah fungsi kerja logam katoda yang digunakan dalam percobaan!
Jawab:
Besaran yang diketahui.


Fungsi kerja logam atau energi ambang dapat dihitung sebagai berikut


Jika dalam bentuk eV maka nilai diatas harus dibagi dengan nilai e.


Latih-2: Berkas cahaya yang membawa kuanta energi 4 x 10^(-19) Joule mengenai katoda sel. Arus fotolistrik yang timbul dapat dihentikan oleh beda potensial 0.5 Volt. Tentukanlah fungsi kerja logam katoda yang digunakan dalam percobaan!

Kaji-3: Pada percobaan efek fotolistrik menggunakan radiasi berpanjang gelombang 300 nm ternyata diperlukan beda potensial henti sebesar 2 kali beda potensial henti dari radiasi yang berpanjang gelombang 500 nm. Tentukanlah energi ambang yang digunakan dalam percobaan efek fotolistrik tersebut!

Jawab:
Besaran yang diketahui.


Keadaan satu pada saat panjang gelombangnya 300 nm persamaan energinya adalah


Ketika panjang gelombang cahaya diubah menjadi 500 nm, persamaan energinya adalah


Dengan persamaan (2) dikali 2 dan dieliminasi dengan persamaan (1) akan diperoleh persamaan



Latih-3: Pada percobaan efek fotolistrik menggunakan radiasi berpanjang gelombang 200 nm ternyata diperlukan beda potensial henti sebesar 4 kali beda potensial henti dari radiasi yang berpanjang gelombang 800 nm. Tentukanlah energi ambang yang digunakan dalam percobaan efek fotolistrik tersebut!

Kaji-4: Grafik di bawah menunjukkan hubungan antara energi kinetik dan frekuensi foton pada percobaan efek fotolistrik. Jika konstanta Planck sebagaimana mestinya, tentukanlah besar frekuensi f berdasarkan grafik di bawah!
Jawab:
Besaran yang diketahui.


Frekuensi cahaya yang menyinari logam dapat dihitung sebagai berikut



Latih-4: Grafik di bawah menunjukkan hubungan antara energi kinetik dan frekuensi foton pada percobaan efek fotolistrik. Jika konstanta Planck sebagaimana mestinya, tentukanlah besar frekuensi f berdasarkan grafik di bawah!

Efek Compton
Berbeda dengan efek fotolistrik dimana cahaya mementalkan elektron dari logam, efek compton menunjukkan bahwa cahaya dapat mengalami peristiwa tumbukan sama seperti sebuah bola biliar yang menumbuk bola biliar lain yang diam kemudian kedua bola terpental.


Gambar di atas menunjukkan bahwa sebuah foton menumbuk elektron target, dan setelah teumbukan keduanya mengalami hamburan. Ini artinya sebagian energi foton diberikan kepada elektron sehingga elektron mempunyai energi kinetik untuk bergerak. Di posisi lain, foton yang terhambur juga kehilangan energi, hasil ini diamati bahwa panjang gelombang foton yang terhambur menjadi lebih besar daripada panjang gelombang foton asal. Secara matematis selisih panjang gelombang foton sesudah terhambur terhadap sebelum terhambur dapat dituliskan:


Dengan theta adalah sudut hamburan foton terhadap arah asal, m menunjukkan massa elektron target yang ditumbuk oleh foton, dan c adalah kelajuan cahaya.

Kaji-1: Sinar-X dengan panjang gelombang 0.24 nm dihamburkan dengan sudut hamburan 60 derajat terhadap arah datang saat menumbuk elektron  Karbon. Tentukanlah panjang gelombang sinar-X yang terhamburkan dan tentukan pula energi kinetik elektron yang terhambur!

Jawab:
Besaran yang diketahui.


Panjang gelombang foton setelah terhambur adalah


Energi foton sebelum dan sesudah bertumbukan adalah sebagai berikut:



Energi kinetik dari energi yang terpental adalah


Latih-1: Sinar-X dengan panjang gelombang 0.30 nm dihamburkan dengan sudut hamburan 30 derajat terhadap arah datang saat menumbuk elektron  Karbon. Tentukanlah panjang gelombang sinar-X yang terhamburkan dan tentukan pula energi kinetik elektron yang terhambur!

Kaji-2: Sinar-X yang mempunyai energi 50 keV dihamburkan dengan sudut 45 derajat terhadap arah asal saat menumbuk elektron. Tentukanlah frekuensi foton yang dihamburkan setelah terjadi tumbukan dengan elektron!
Jawab:
Besaran yang diketahui.


Panjang gelombang foton sebelum tumbukan dapat dihitung:


Panjang gelombang foton sesudah terhambur yaitu


Frekuensi sinar-X setelah terhambur adalah

Latih-2: Sinar-X yang mempunyai energi 100 keV dihamburkan dengan sudut 60 derajat terhadap arah asal saat menumbuk elektron. Tentukanlah frekuensi foton yang dihamburkan setelah terjadi tumbukan dengan elektron!

Previous
Next Post »
0 Komentar