22 February 2010
Pada efek fotolistrik, cahaya dapat dipandang sebagai kuantum
energi dengan energi yang diskrit. Kuantum energi tidak dapat
digambarkan sebagai gelombang tetapi lebih mendekati bentuk partikel.
Partikel cahaya dalam bentuk kuantum dikenal dengan sebutan foton.
Pandangan cahaya sebagai foton diperkuat lagi melalui gejala yang
dikenal sebagai efek Compton.
Jika seberkas sinar-X ditembakkan ke sebuah elektron bebas yang diam,
sinar-X akan mengalami perubahan panjang gelombang dimana panjang
gelombang sinar-X menjadi lebih besar. Gejala ini dikenal sebagai efek
Compton, sesuai dengan nama penemunya, yaitu Arthur Holly Compton.

Sinar-X
digambarkan sebagai foton yang bertumbukan dengan elektron (seperti
halnya dua bola bilyar yang bertumbukan). Elektron bebas yang diam
menyerap sebagian energi foton sehingga bergerak ke arah membentuk sudut
terhadap arah foton mula-mula. Foton yang menumbuk elektron pun
terhambur dengan sudut
θ terhadap arah semula dan panjang
gelombangnya menjadi lebih besar. Perubahan panjang gelombang foton
setelah terhambur dinyatakan sebagai

Dimana
m adalah massa diam elektron,
c adalah kecepatan cahaya, dan
h adalah konstanta Planck.

Arthur Holly Compton
22 February 2010
Pernahkah kamu melihat pelangi? Pernahkah kamu melihat
warna-warni di jalan aspal yang basah? Pelangi terjadi akibat dispersi
cahaya matahari pada titik-titik air hujan. Adapun warna-warni yang
terlihat di jalan beraspal terjadi akibat gejala interferensi cahaya.
Gejala dispersi dan interferensi cahaya menunjukkan bahwa cahaya
merupakan gejala gelombang. Gejala difraksi dan polarisasi cahaya juga
menunjukkan sifat gelombang dari cahaya.

pola warna-warni di atas aspal basah yang dikenai bensin terjadi akibat interferensi cahaya
Gejala fisika yang lain seperti spektrum diskrit atomik, efek
fotolistrik, dan efek Compton menunjukkan bahwa cahaya juga dapat
berperilaku sebagai partikel. Sebagai partikel cahaya disebut dengan
foton yang dapat mengalami tumbukan selayaknya bola.
Efek Fotolistrik
Ketika seberkas cahaya dikenakan pada logam, ada elektron yang keluar
dari permukaan logam. Gejala ini disebut efek fotolistrik. Efek
fotolistrik diamati melalui prosedur sebagai berikut. Dua buah pelat
logam (lempengan logam tipis) yang terpisah ditempatkan di dalam tabung
hampa udara. Di luar tabung kedua pelat ini dihubungkan satu sama lain
dengan kawat. Mula-mula tidak ada arus yang mengalir karena kedua plat
terpisah. Ketika cahaya yang sesuai dikenakan kepada salah satu pelat,
arus listrik terdeteksi pada kawat. Ini terjadi akibat adanya
elektron-elektron yang lepas dari satu pelat dan menuju ke pelat lain
secara bersama-sama membentuk arus listrik.

Hasil
pengamatan terhadap gejala efek fotolistrik memunculkan sejumlah fakta
yang merupakan karakteristik dari efek fotolistrik. Karakteristik itu
adalah sebagai berikut.
- hanya cahaya yang sesuai (yang memiliki frekuensi yang lebih
besar dari frekuensi tertentu saja) yang memungkinkan lepasnya
elektron dari pelat logam atau menyebabkan terjadi efek fotolistrik
(yang ditandai dengan terdeteksinya arus listrik pada kawat).
Frekuensi tertentu dari cahaya dimana elektron terlepas dari
permukaan logam disebut frekuensi ambang logam. Frekuensi ini
berbeda-beda untuk setiap logam dan merupakan karakteristik dari logam
itu.
- ketika cahaya yang digunakan dapat menghasilkan efek
fotolistrik, penambahan intensitas cahaya dibarengi pula dengan
pertambahan jumlah elektron yang terlepas dari pelat logam (yang
ditandai dengan arus listrik yang bertambah besar). Tetapi, Efek
fotolistrik tidak terjadi untuk cahaya dengan frekuensi yang lebih
kecil dari frekuensi ambang meskipun intensitas cahaya diperbesar.
- ketika terjadi efek fotolistrik, arus listrik terdeteksi pada
rangkaian kawat segera setelah cahaya yang sesuai disinari pada
pelat logam. Ini berarti hampir tidak ada selang waktu elektron
terbebas dari permukaan logam setelah logam disinari cahaya.
Karakteristik dari efek fotolistrik di atas tidak dapat dijelaskan
menggunakan teori gelombang cahaya. Diperlukan cara pandang baru dalam
mendeskripsikan cahaya dimana cahaya tidak dipandang sebagai gelombang
yang dapat memiliki energi yang kontinu melainkan cahaya sebagai
partikel.
Perangkat teori yang menggambarkan cahaya bukan sebagai gelombang
tersedia melalui konsep energi diskrit atau terkuantisasi yang
dikembangkan oleh Planck dan terbukti sesuai untuk menjelaskan spektrum
radiasi kalor benda hitam. Konsep energi yang terkuantisasi ini
digunakan oleh Einstein untuk menjelaskan terjadinya efek fotolistrik.
Di sini, cahaya dipandang sebagai kuantum energi yang hanya memiliki
energi yang diskrit bukan kontinu yang dinyatakan sebagai
E =
hf.
Konsep penting yang dikemukakan Einstein sebagai latar belakang
terjadinya efek fotolistrik adalah bahwa satu elektron menyerap satu
kuantum energi. Satu kuantum energi yang diserap elektron digunakan
untuk lepas dari logam dan untuk bergerak ke pelat logam yang lain. Hal
ini dapat dituliskan sebagai
Energi cahaya = Energi ambang + Energi kinetik maksimum elektron
E = W0 + Ekm
hf = hf0 + Ekm
Ekm = hf – hf0
Persamaan ini disebut
persamaan efek fotolistrik Einstein. Perlu diperhatikan bahwa
W0 adalah energi ambang logam atau fungsi kerja logam,
f0 adalah frekuensi ambang logam,
f adalah frekuensi cahaya yang digunakan, dan
Ekm
adalah energi kinetik maksimum elektron yang lepas dari logam dan
bergerak ke pelat logam yang lain. Dalam bentuk lain persamaan efek
fotolistrik dapat ditulis sebagai

Dimana
m adalah massa elektron dan
ve
adalah dan kecepatan elektron. Satuan energi dalam SI adalah joule (J)
dan frekuensi adalah hertz (Hz). Tetapi, fungsi kerja logam biasanya
dinyatakan dalam satuan elektron volt (eV) sehingga perlu diingat bahwa 1
eV = 1,6 × 10
−19 J.
Potensial Penghenti
Gerakan elektron yang ditandai sebagai arus listrik pada gejala efek
fotolistrik dapat dihentikan oleh suatu tegangan listrik yang dipasang
pada rangkaian. Jika pada rangkaian efek fotolistrik dipasang sumber
tegangan dengan polaritas terbalik (kutub positif sumber dihubungkan
dengan pelat tempat keluarnya elektron dan kutub negatif sumber
dihubungkan ke pelat yang lain), terdapat satu nilai tegangan yang dapat
menyebabkan arus listrik pada rangkaian menjadi nol.
Arus nol atau tidak ada arus berarti tidak ada lagi elektron yang
lepas dari permukaan logam akibat efek fotolistrik. Nilai tegangan yang
menyebabkan elektron berhenti terlepas dari permukaan logam pada efek
fotolistrik disebut tegangan atau potensial penghenti (
stopping potential). Jika
V0 adalah potensial penghenti, maka
Ekm = eV0

Persamaan ini pada dasarnya adalah persamaan energi. Perlu diperhatikan bahwa
e adalah muatan elektron yang besarnya 1,6 × 10
−19 C dan tegangan dinyatakan dalam satuan volt (V).
Aplikasi Efek fotolistrik
Efek fotolistrik merupakan prinsip dasar dari berbagai piranti fotonik (
photonic device) seperti lampu LED (
light emitting device) dan piranti detektor cahaya (
photo detector).