Home / Fisika / efek-fotolistrik

Efek Fotolistrik

  • 11 min read
Loading...

Penulis : Ditheosvi Alvira Gusti – Teknik Elektro PNJ

Ditinjau dan edit kembali oleh Deyan Prashna, Departemen Fisika, FMIPA, Universitas Indonesia, 5 Agustus 2020

Pengertian Efek Fotolistrik

Efek fotolistrik merupakan sebuah fenomena lepasnya elektron yang terdapat pada sebuah logam karena logam tersebut dikenai cahaya dengan frekuensi tertentu. Hm apa sih maksudnya dan bagaimana bisa terjadi? Nah untuk lebih jelasnya, hal itu akan diuraikan di bawah ya.

Asal Mula Efek Fotolistrik

Heinrich hertz pada tahun 1886 melakukan sebuah percobaan efek fotolistrik menggunakan tabung lucutan dengan elektroda Na dan hasil perobaannya ini sempat membuat bingung para fisikawan kala itu. Hertz menjelaskan sifat-sifat penting yang terdapat pada efek fotolistrik menggunakan pandangan klasik atau teori gelombang.

Berdasarkan percobaannya tersebut, awalnya diduga bahwa semakin tinggi intensitas cahaya yang diberikan maka semakin besar arus listrik yang mengalir. Tapi kenyataannya tidak demikian.

Meskipun intensitas yang diberikan tinggi, tapi elektron tidak muncul dari plat logam. Namun, ketika diberikan cahaya dengan frekuensi lebih tinggi (panjang

Loading...
gelombang yang lebih pendek), terdapat elektron yang muncul dari plat logam.

Hal ini menunjukkan bahwa dibutuhkan sejumlah energi tertentu untuk membebaskan elektron dari ikatannya sehingga muncul sebagai fotoelektron. Energi yang dibutuhkan tersebut bergantung pada besar panjang gelombangnya.

Perlu kamu tahu bahwa para fisikawan pada waktu itu tidak dapat menjelaskan mengapa fenomena itu terjadi.

Albert Einstein menjawab persoalan tersebut dan mengatakan bahwa cahaya itu terkuantisasi dalam suatu paket partikel cahaya yang disebut sebagai foton. Energi foton sebanding dengan besar frekuensinya dan tetapan yang disebut sebagai konstanta Planck.

Dibutuhkan sejumlah energi foton yang lebih besar dari energi ikatan elektron untuk melepaskan elektron dari ikatannya. Elektron yang terlepas tersebut dinamakan sebagai fotoelektron dan inilah yang dinamakan sebagai fenomena efek fotolistrik.

Frekuensi cahaya yang diberikan semakin tinggi maka semakin banyak elektron yang terlepas. Dinamakan sebagai fotolistrik karena terlepasnya elektron oleh foton sehingga dapat menimbulkan arus listrik sebagaimana yang terdeteksi pada alat ukur listrik dalam percobaan Heinrich Hertz.

Heinrich Hertz
Heinrich Hertz sumber wikipedia

Heinrich Hertz dalam percobaannya tersebut menggunakan teori gelombang atau fisika klasik yang mengatakan bahwa cahaya sama dengan gelombang karena sifatnya yang mirip yaitu dapat dipantulkan dan dibiaskan. Namun pada kenyataannya teori ini berlainan dengan keadaan sebenarnya pada efek fotolistrik dan ia pun dinilai gagal.

Sifat pada efek fotolistrik

Kegagalan teori gelombang dalam menjelaskan sifat pada efek fotolistrik adalah sebagai berikut:

  1. Menurut teori gelombang, Bila intensitas cahaya dinaikkan maka energi kinetik maksimum elektro membesar. Tetapi, nyatanya energi kinetik tidak bergantung pada intensitas cahaya.
  2. Menurut teori gelombang, efek fotolistrik dapat terjadi pada sembarang frekuensi dan pada kenyataannya efek fotolistrik hanya dapat terjadi untuk frekuensi di atas frekuensi ambang.
  3. Transfer energi foton ke elektron memerlukan waktu lama agar elektron dari permukaan logam dapat terlepas menurut teori gelombang, tetapi yang sebetulnya transfer energi tersebut terjadi sangatlah cepat.
  4. Energi kinetik elektron yang dapat bertambah apabila frekuensi gelombang diperbesar tidak dapat dijelaskan oleh teori gelombang ini.

Tahun 1905, Albert Einstein yang baru berusia 26 tahun menyelesaikan permasalahan efek fotolistrik. Ia menjelaskan mengenai efek fotolistrik menggunakan teori kuantum Plank tentang paket energi dan membuat alat yang terdiri atas tabung hampa udara yang dilengkapi dengan dua elektroda (Anoda dan Katoda) yang dirangkai seperti gambar di bawah dan dihubungkan dengan sumber tegangan arus searah (DC) untuk membuktikannya.

tabung hampa udara dilengkapi dua eletroda

Ketika tabung ditempatkan pada ruangan gelap, jarum galvanometer menunjukkan angka nol atau berarti tidak adanya arus listrik. Lain hal ketika pelat logam ditembakkan cahaya monokromatis dengan frekuensi tertentu.

percobaan Efek Fotolistrik

Cahaya pada kondisi ini dianggap sebagai partikel atau foton dan setiap elektron menyerap energi foton hingga energi elektron melebihi energi ambang logam dan berakibat elektron mampu melepaskan diri dari ikatan logam. Elektron yang berpindah atau mengalir dari Katoda ke Anoda menjadikan rangkaian yang awalnya terbuka menjadi rangkaian tertutup sehingga menimbukan arus dan dapat dikatakan bahwa elektron yang terpental atau bergerak ini memiliki energi kinetik.

Perlu diketahui bahwa besar beda potensial (arus listrik) yang ditimbulkan tidak bergantung pada intensitas cahaya, tapi bergantung pada frekuensinya sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya. Elektron yang berpindah tersebut memiliki energi kinetik tertentu.

Berikut persamaannya (energi kinetik maksimum):

A picture containing drawing Description automatically generated

dimana e merupakan muatan elektron (C), dan V0merupakan potensial henti (volt). Potensial henti merupakan batas potensial minimum dimana pada kondisi ini tidak ada lagi elektron yang terlepas dari plat logam (efek fotolistrik sudah terhenti).

Hal berkaitan efek fotolistrik yang dijelaskan oleh Einstein

  1. Penambahan intensitas akan memperbanyak jumlah elektron yang terlepas dan tidak menambah energi kinetik elektron.
  2. Setiap permukaan logam memerlukan frekuensi tertentu atau dalam hal ini seperti frekuensi ambang batas logam untuk dapat menghasilkan elektron foto. Jika frekuensi cahaya lebih kecil daripada frekuensi ambang logam, maka berapapun intensitas cahayanya tidak akan ada elektron yang terlepas dari pelat logam tersebut.
  3. Transfer energi dari foto ke elektron yang menyebabkan elektron lepas dari pelat dan logam berlangsung sangat cepat dikarenakan cahaya bersifat partikel atau paket energi (foton).
  4. Energi foton tidak dapt membagikan energinya kepada 2 elektron atau lebih karena interaksi yang terjadi antara keduanya adalah satu-satu. Energi yang dilepaskan dalam bentuk paket-paket gelombang (foton).
  5. Energi kinetik elektron tidak bergantung pada intensitas cahaya. Intensitasnya berlipat ganda maka besar energi kinetik juga akan berlipat ganda. Namun, energi kinetik maksimumnya tidak bertambah.
  6. Waktu yang diperlukan untuk elektron terlepas dari logam bergantung pada besar paket energi yang diberikan.
  7. Keluarnya elektron dari logam tidak bergantung pada frekuensi cahaya. Agar terlepas, energi yang diberikan harus melebihi fungsi kerja.
  8. Besarnya energi kinetik maksimum fotoelektron bergantung pada frekuensi cahaya.

Elektron yang terlepas tersebut tidak akan menumbuk atom lainnya sebelum elektron tesebut melepaskan energi kinetik maksimumnya. Berikut rumusnya:

A picture containing table, clock Description automatically generated

dimana h merupakan konstanta Planck (Js) dengan besar , f merupakan frekuensi foton (Hz), dan Q merupakan fungsi kerja (eV).

Fungsi kerja merupakan besar energi minimum yang diperlukan agar elektron dapat melekat pada logam. Jika frekuensi cahaya yang diberikan dibawah dari frekuensi ambang, maka tidak akan terjadi fotoelektron.

Rumus dari frekuensi ambang sbb:

frekuensi ambang

dimana f0 merupakan frekuensi ambang (Hz),  Q merupakan fungsi kerja (eV), dan h merupakan konstanta Planck (Js) dengan besar .

Sehingga energi kinetik maksimum elektron yang terlepas dari logam dirumuskan sbb:

elektron logam

Diperlukan energi foton yang lebih besar daripada frekuensi ambang dan fungsi kerja agar elektron dapat terlepas dari logam dan terjadi fenomena efek fotolistrik.

Persamaan Efek Fotolistrik

Albert Einstein telah mampu menjelaskan efek fotolistrik. Secara matematis energi kinetik maksimum yang terpancar ketika elektron mendapatkan energi foton lebih besar dari energi ambangnya dituliskan sebagai berikut:

Eo = h. fo

Ekmax = hf – W0

Ekmax = hf – hf0

Hubungan yang terjadi antara energi kinetik maksimum dengan potensial henti yaitu saat arus yang mengalir akan semakin kecil hingga mendekati tegangan tertentu yang tidak ada arus adalah

2

Keterangan:

Ekmax = Energi kinetik maksimum atau selisih energi foton dengan energi ambangnya (Joule)

Vo = Potensial henti

f = Frekuensi foton

h = Konstanta Plank (6,63 x 10-34 J.s)

fo = Frekuensi ambang

e = Muatan elektron (1,6 x 10-19 C)

Kesimpulan

Jadi, dapat disimpulkan bahwa efek fotolistrik merupakan suatu fenomena terlepasnya elektron dari permukaan logam. Elektron yang terlepas bergantung pada energi foton yang diberikan pada logam dan tidak bergantung pada intensitas cahaya yang diberikan.

Energi foton yang diberikan harus melebihi frekuensi ambang dan fungsi kerja dari elektron. Energi foton yang diberikan harus lebih besar dari energi ikatan elektronnya.

Satu elektron yang terlepas hanya membutuhkan satu energi foton saja. Interaksi yang terjadi satu-satu antara foton dengan elektron.

Elektron yang terlepas tidak bertumbukan dengan atom lain sebelum melepaskan energi kinetik maksimum. Energi kinetik maksimumnya merupakan selisih dari frekuensi foton dengan frekuensi ambang.

Dalam perhitungannya diperlukan suatu konstanta yang bernama konstanta Planck. Penjelasan mengenai efek fotolistrik disampaikan oleh Albert Einstein pada tahun 1905.

Efek fotolistrik dimanfaatkan pada kalkulator, pemindai kode batang (barcode), dubbing film, kamera CCD, dan panel sel Surya.

Contoh Penerapan Efek Fotolistrik

Dalam kehidupan sehari-hari sering kita jumpai alat-alat yang menerapkan efek fotolistrik. Alat tersebut adalah:

1. Kalkulator

Kalkulator menerapkan efek fotolistrik di mana sel foto listrik mengubah energi cahaya untuk dapat menghasilkan listrik yang menjadi sumber energi bagi kalkulator.

Loading...
kalkulator

2. Pemindai kode batang (Barcode)

Barcode menerapkan efek fotolistrik yang mengubah citra yang diinginkan menjadi data elektronik yang akan diproses komputer.

kode batang

3. Dubbing film

Saat melakukan dubbing film, Efek fotolistrik dimanfaatkan dalam membaca sinyal optik dari suara yang direkam ketika film diputar agar suara dapat terdengar dibantu amplifier untuk memperkuat sinyal listriknya.

dubbing film

4. Kamera CCD (Change Couple Device)

Kamera ini menerapkan efek fotolistrik yang mengubah data dari lensa sehingga hasil dapat ditampilkan pada monitor.

Kamera CCD

5. Panel Sel Surya

Panel sel surya memanfaatkan efek fotolistrik agar cahaya matahari dapat membangkitkan arus listrik.

Panel Sel Surya

Contoh Soal

Setelah kalian membaca dan mengerti mengenai apa itu efek fotolistrik, dikerjakan juga ya contoh soal yang ada agar kalian lebih memahami materi kali ini.

1. Perhatikan pernyataan-pernyataan berikut!

1) Efek fotolistrik dapat membuktikan bahwa cahaya bersifat dualisme.

2) Efek fotolistrik terjadi pada frekuensi tertentu

3) Efek fotolistrik tidak dapat dijelaskan dengan anggapan bahwa cahaya sebagai gelombang.

Pernyataan yang benar mengenai efek fotolistrik adalah….

A. 1 dan 2

B. 1 dan 3

C. 1, 2, dan 3

D. 2 dan 3

Pembahasan: D

Efek fotolistrik tidak dapat dijelaskan dengan anggapan cahaya sebagai gelombang tetapi dengan anggapan cahaya sebagai partikel (foton) dan terjadi pada frekuensi tertentu (frekuensi ambang batas logam). Maka pernyataan yang benar adalah 2 dan 3 (D)

2. Frekuensi kerja sebuah logam adalah 4 x 10-14 Hz, diberikan cahaya dengan frekuensi 6 x 10-14 

Hz. Besar energi kinetik foton yang keluar dari logam adalah …

A. 1,98 x 10-19 Joule

B. 2,92 x 10-19 Joule

C. 1,32 x 10-19 Joule

D. 2,48 x 10-19 Joule

Pembahasan:

Dik:

h = 6,63 x 10-34 Joule

f = 6 x 10-14 Hz

fo = 4 x 10-14 Hz

Dit : Energi kinetik?

3. Logam memiliki fungsi kerja 3,4 eV dengan muatan elektron 1,6 x 10-19 C dan konstanta Plank 6,63 x 10-34 J.s. Besar frekuensi ambang logam tersebut adalah?

A. 7 x 1014 Hz

B. 7,8 x 1014 Hz

C. 8,2 x 1014 Hz

D. 8,5 x 1014 Hz

Pembahasan: C

Dik:

h = 6,63 x 10-34 Joule

Eo = 3,4 x 1,6 .10-19 Hz

Dit : Frekuensi ambang logam?

Jawab :

1

Pertanyaan Umum

Apa itu efek fotolistrik?

Fenomena lepasnya elektron dari logam akibat dikenai cahaya dengan frekuensi tertentu.

Siapa yang melakukan percobaan efek fotolistrik pertama kali?

Heinrich Hertz pada tahun 1886.

Mengapa Hertz dianggap gagal dalam menjelaskan sifat penting efek fotolistrik?

Karena Hertz menjelaskan efek fotolistrik menggunakan teori cahaya seperti gelombang, sebagaimana dalam teori fisika klasik.

Teori apa yang digunakan Einstein dalm menjelaskan efek fotolistrik?

Menggunakan teori kuantum Plank tentang paket energi

Contoh penerapan efek fotolistrik?

Kalkulator, kamera CCD, barcode, panel surya dan alat dubbing film.

Daftar Pustaka

  • E. Siregar, Rustam. 2010. Teori dan Aplikasi Fisika Kuantum. Bandung : Widya Padjadjaran.
  • Foster, Bob. 2011. FISIKA 3B. Jakarta: Erlangga
  • Subagya,Hari dan Agus Taranggono. 2007. Sains Fisika 3 SMA/MA. Jakarta: Bumi Aksara
  • Fenomema Efek Fotolistrik. Diperoleh dari http://www.fisikanet.lipi.go.id/utama.cgi?cetakfenomena&1305135781 (diakses pada 6 Agustus 2020).
  • Ibadurrahman. Efek Fotolistrik. Diperoleh dari https://www.studiobelajar.com/efek-fotolistrik/ (diakse pada 6 Agustus 2020).
  •  

Baca juga:

Loading...