Efek Fotolistrik Rumus dan Contoh Soal Pembahasan

Tulisan ini berisi penjelasan mengenai Efek Fotolistrik. Dijelaskan juga rumus dan contoh soal pembahasan Efek Fotolistrik beserta sayarat-syarat terjadinya Fotolistrik lengkap dengan contoh penerapan dalam kehidupan sehari-hari.

Efek Fotolistrik

Efek Fotolistrik adalah fenomena lepasnya elektron dari permukaan logam ketika disinari gelombang elektromagnetik (cahaya). Hasil eksperimennya tidak dapat dijelaskan secara memuaskan oleh teori gelombang cahaya.

Fenomena ini pertama kali ditemukan oleh Fisikawan Heinrich Hertz (1887) ketika ia melakukan penelitian mengenai radiasi elektromagnetik.

Di mana ketika suatu permukaan logam dikenai cahaya, elektron mengalami emisi dari permukaan logam tersebut. Elektron yang diemisikan kemudian disebut dengan fotoelektron. Perhatikan gambar berikut sebagai ilustrasi proses efek fotolistrik

Sumber : Krane K.S, Modern Physics

Dari gambar di atas dapat diamati bahwa permukaan logam emitter yang berada dalam tabung dikenai cahaya. Sehingga elektron di permukaan terlepas dan kemudian menuju collector.

Emitter dan collector saat eksperimen idealnya harus berada dalam tabung. Hal ini bertujuan agar elektron yang lepas tidak kehilangan energi akibat terjadinya tumbukan dengan molekul-molekul udara. Dengan begitu dapat diukur tingkat emisi elektron dan energi kinetik maksimum fotoelektron.

Mari kita ingat bahwa apabila terjadi loncatan elektron, maka akan mengakibatkan munculnya arus listrik. Sehingga tingkat emisi elektron dapat diukur melalui alat ukur ammeter.

Sedangkan untuk mengukur energi kinetik fotoelektron dapat dilakukan dengan cara memberikan potensial negatif pada pelat collector. Dengan begitu, hanya elektron yang memiliki energi kinetik lebih besar dari $eV$ yang bisa mencapai pelat collector.

Apabila beda potensial negatif $V$ diperbesar sampai $-V_s$. Sehingga tidak ada lagi elektron yang dapat mencapai pelat collector. Ini artinya energi kinetik maksimum fotoelektron dengan potensial penghenti $V_s$ diberikan sebagai berikut

$E_k = eV_s$

Dengan $e$ besarnya muatan elektron $(1,6 \times 10^{-19}C)$ dan $V_s$ adalah potensial dalam satuan volt.

Teori Klasik (cahaya sebagai gelombang) Mengenai Efek Fotolistrik

• Energi Kinetik Maksimum elektron harus sebanding dengan intensitas radiasi.
• Efek Fotolistrik harus terjadi untuk semua frekuensi atau panjang gelombang.
• Elektron pertama harus diemisikan dalam selang waktu beberapa detik setelah radiasi mulai mengenai permukaan.

Karakteristik Efek Fotolistrik Berdasarkan Hasil Eksperimen

• Untuk nilai frekuensi atau panjang gelombang sumber cahaya yang tetap, energi kinetik maksimum fotoelektron yang diemisikan tidak bergantung kepada intensitas sumber cahaya.
• Efek Fotolistrik tidak terjadi untuk semua frekuensi jika frekuensi sumber cahaya yang digunakan dibawah nilai tertentu. Nilai tertentu ini kemudian disebut sebagai frekuensi ambang $f_0$.
• Elektron pertama diemisikan hampir secara spontan, yaitu dalam $(10^{-9}s)$ setelah sumber cahaya dikenakan pada logam emitter.

Dengan memandang cahaya sebagai partikel kemudian Albert Einstein (1905) berhasil menjelaskan fenomena efek fotolistrik dengan memuaskan. Di mana sebelumnya para fisikawan tidak bisa menjelaskan dengan memuaskan menggunakan teori gelombang cahaya.

Einstein berhasil menjelaskan efek fotolistrik ini berdasarkan ide Max Planck mengenai paket-paket energi. Adapun energi yang terpaket-paket (foton) inilah yang dapat mengeluarkan elektron dari permukaan logam.

Setiap logam memiliki karakteristik masing-masing untuk bisa mengeluarkan elektron dari permukaan logam. Kemudian dikenal sebagai fungsi kerja logam. Fungsi kerja merupakan usaha minimal yang harus terpenuhi untuk mengeluarkan satu elektron.

Sehingga energi foton yang dibawa untuk mengeluarkan elektron dari permukaan logam harus lebih dari fungsi kerja logam tersebut.

Rumus Efek Fotolistrik

$E_f = hf$

$E_f = h\frac{c}{\lambda}$

$\phi = hf_0$

$\phi = h\frac{c}{\lambda_0}$

$E_{k} = E_f - \phi$

$E_{k} = hf - hf_0$

Keterangan :

$E_f =$ energi foton $(J)$

$h =$ konstanta Planck $(6,63 \times 10^{-34} J.s)$

$c =$ kecepatan cahaya $(3 \times 10^8 m/s)$

$f =$ frekuensi foton $(Hz)$

$\lambda =$ panjang gelombang foton $(m)$

$\phi =$ fungsi kerja logam $(J)$

$f_0 =$ frekuensi ambang logam $(Hz)$

$\lambda_0 =$ panjang gelombang ambang $(m)$

$E_k =$ energi kinetik $(J)$

Syarat Terjadinya Efek Fotolistrik

• Frekuensi foton lebih besar dari frekuensi ambang logam.
• Panjang gelombang foton lebih kecil dari panjang gelombang ambang.
• Energi foton lebih besar dari fungsi kerja.

Apabila efek fotolistrik sudah terjadi pada frekuensi foton tertentu, maka intensitas cahaya yang mengenai logam akan menentukan seberapa banyak elektron yang diemisikan.

Ingat ! intensitas tidak menjadi syarat terjadinya efek fotolistrik. Intensitas cahaya yang digandakan pada saat efek fotolistrik terjadi akan menyebabkan jumlah elektron yang diemisikan menjadi 2 kalinya.

Penerapan Efek Fotolistrik dalam Kehidupan Sehari-hari

• Kalkulator. Sel fotolistrik mengubah energi cahaya menjadi energi listrik sebagai sumber energi untuk kalkulator.
• Dubbing Film. Suara dubbing film direkam dalam bentuk sinyal optik di sepanjang pinggiran keping film. Saat film diputar, sinyal dibaca kembali dengan proses fotolistrik.
• Kamera CCD dan Pemindai Barcode. Kamera CCD dan pemindai barcode memanfaatkan efek fotolistrik internal untuk mengubah citra yang diharapkan menjadi data-data elektronik kemudian diproses oleh komputer.
• Detektor Asap. Partikel asap di udara akan mengurangi intensitas cahaya yang mencapai fotosel. Intensitas cahaya yang terhalang partikel cahaya akan mengurangi jumlah elektron yang diemisikan. Sehingga arus listrik yang mengalir menjadi berkurang. Dengan berkurangnya arus listrik ini, maka dijadikanlah sebagai indikator supaya alarm diaktifkan.

Contoh Soal Efek Fotolistrik

Soal No 1

Sebuah sebuah lempeng logam natrium disinari dengan seberkas foton berenergi 10,09 eV. Jika fungsi kerja natrium adalah 3,38 eV, energi kinetik maksimum elektron yang dihasilkannya adalah ....

A. 2,15 eV

B. 2,28 eV

C. 4,56 eV

D. 6,71 eV

E. 8,86 eV

Diketahui :

$E_f = 10,09 eV$

$\phi = 3,38 eV$

Ditanyakan :

$E_k = ... ?$

Jawab

$E_k = E_f - \phi$

$E_k = 10,09 - 3,38 = 6,71 eV$

Jawaban yang tepat D

Soal No 2

Pada efek fotolistrik, radiasi elektromagnetik datang pada permukaan sebuah logam dengan frekuensi ambang $f_0$. Pernyataan berikut yang benar tentang efek fotolistrik adalah ....

A. Tidak ada arus fotolistrik kecuali $f < f_0$.

B. $f_0$ tidak bergantung pada karakteristik dari bahan katode.

C. Di atas frekuensi ambang, aliran elektron-elektron per sekon meningkat ketika intensitas cahaya datang meningkat.

D. Potensial henti $V_0$ sebanding dengan $f^2$.

E. Potensial henti bergantung pada intensitas cahaya.

Arus fotolistrik terjadi jika $f > f_0$, maka opsi A salah.

$f_0$ merupakan frekuensi ambang hubungannya dengan bahan logam yang digunakan, karena frekuensi ambang tergantung pada bahan logamnya (setiap logam memiliki frekuensi ambang yang berbeda), maka opsi B salah.

Jika frekuensi foton yang dikenakan pada permukaan logam di atas frekuensi ambangnya, maka elektron-elektron akan mengalir. Banyak sedikitnya elektron yang mengalir dipengaruhi oleh intensitas cahaya yang digunakan. Semakin tinggi intensitasnya maka aliran elektron juga semakin banyak. Sehingga opsi C benar.

Potensial henti sebanding dengan energi kinetik maksimum. Sehingga opsi D salah karena potensial penghenti dianggap sebanding dengan kuadrat frekuensi.

Potensial henti tidak bergantung pada intensitas cahaya, melainkan bergantung pada energi kinetiknya. Sehingga opsi E salah.

Jadi jawaban yang tepat C

Soal No 3

Sinar ungu dengan frekuensi $10^{16}$ Hz dijatuhkan pada permukaan logam yang mempunyai energi ambang $\frac{2}{3}$ kali kuantum energi sinar ungu dengan tetapan Planck = $6,6 \times 10^{-34}$ J.s, maka energi kinetik elektron yang lepas adalah ....

A. $1,1 \times 10^{18}$ $J$

B. $2,2 \times 10^{18}$ $J$

C. $3,3 \times 10^{18}$ $J$

D. $4,4 \times 10^{18}$ $J$

E. $6,6 \times 10^{18}$ $J$

Diketahui :

$f = 10^{16}$ Hz

$\phi = \frac{2}{3}E_f$

$h = 6,6 \times 10^{-34}$ J.s

Ditanyakan :

$E_k = ... ?$

Jawab

$E_k = E_f - \phi$

$E_k = E_f - \frac{2}{3}E_f = \frac{1}{3}E_f$

$E_f = hf = 6,6 \times 10^{-34} \times 10^{16}$

$E_f = 6,6 \times 10^{-18}$ J

Substitusikan $E_f$ ke $E_k$

$E_k = \frac{1}{3}E_f$

$E_k = \frac{1}{3} \times 6,6 \times 10^{-18}$

$E_k = 2,2 \times 10^{-18}$ J

Jawaban yang tepat B

Soal No 4

Sebuah pemancar radio berdaya 1000 watt memancarkan foton tiap detik sebanyak $5 \times 10^{20}$ buah. Maka energi satu fotonnya dalam joule sebesar ....

A. $2 \times 10^{-17}$ J

B. $5 \times 10^{-17}$ J

C. $2 \times 10^{-18}$ J

D. $2 \times 10^{-20}$ J

E. $5 \times 10^{-20}$ J

Diketahui :

$P = 1000$ Watt

$n = 5 \times 10^{20}$ buah

$t = 1$ s

Ditanyakan :

Energi satu foton = ... ?

Jawab

$E_f = \frac{P \times t}{n}$

$E_f = \frac{1000 \times 1}{5 \times 10^{20}}$

$E_f = 2 \times 10^{-18}$ J

Jawaban yang tepat C

Soal No 5

Pada peristiwa efek fotolistrik, panjang gelombang ambang adalah 2.756 angstrom. Jika cahaya dengan panjang gelombang 1.230 angstrom datang pada suatu permukaan logam, energi kinetik maksimum fotoelektron adalah ....

A. 2,25 eV

B. 2,79 eV

C. 3,60 eV

D. 4,50 eV

E. 5,63 eV

Diketahui :

$\lambda_0 = 2.756$ angstrom = $2.756 \times 10^{-10}$ m

$\lambda = 1.230$ angstrom = $1.230 \times 10^{-10}$ m

Ditanyakan :

$E_k = ... eV?$

Jawab

$E_k = E_f - \phi$

$E_k = h\frac{c}{\lambda} - h\frac{c}{\lambda_0}$

$E_k = hc(\frac{1}{\lambda} - \frac{1}{\lambda_0})$

$E_k = hc(\frac{1}{1.230 \times 10^{-10}} - \frac{1}{2.756 \times 10^{-10}})$

$E_k = hc \times 10^{10}(\frac{1}{1.230} - \frac{1}{2.756})$

$E_k = 6,63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^{8} \times 10^{10} (4,502 \times 10^{-4})$

$E_k = 89,54 \times 10^{-20}$

$E_k = 8,954 \times 10^{-19}$ J

Dalam soal diinginkan dalam satuan eV, maka dapat kita konversikan

$1eV = 1,601 \times 10^{-19}$ J

$E_k = \frac{8,954 \times 10^{-19}}{1,601 \times 10^{-19}}$

$E_k = 5,6 \approx 5,63$ eV

Jadi jawaban yang tepat E

Penutup

Itulah sedikit penjelasan mengenai fenomena efek fotolistrik yang dilengkapi dengan rumus dan contoh soal pembahasan. Diberikan juga contoh penerapan efek fotolistrik dalam kehidupan sehari-hari. Semoga dapat bermanfaat untuk sobat semuanya.

Terima kasih atas kunjungannya.