Pada tahun 1905, hanya lima tahun setelah Planck mempresentasikan teori kuantumnya, Albert Einstein menggunakan teori tersebut untuk memecahkan misteri lain dalam fisika, efek fotolistrik, sebuah fenomena di mana elektron dikeluarkan dari permukaan logam tertentu yang terkena cahaya setidaknya frekuensi minimum tertentu, yang disebut frekuensi ambang batas (Gambar 7.5). Jumlah elektron yang dikeluarkan proporsional dengan intensitas (atau kecerahan) cahaya, tetapi energi dari elektron yang dikeluarkan tidak. Di bawah frekuensi ambang batas tidak ada elektron yang terlontar tidak peduli seberapa kuat cahayanya.
Efek fotolistrik tidak dapat dijelaskan oleh teori gelombang cahaya. Einstein, bagaimanapun, membuat asumsi yang luar biasa. Dia menyarankan bahwa seberkas cahaya benar-benar aliran partikel. Partikel-partikel cahaya ini sekarang disebut foton. Menggunakan teori kuantum radiasi Planck sebagai titik awal, Einstein menyimpulkan bahwa setiap foton harus memiliki energi E, yang diberikan oleh persamaan
E = h 𝛎
di mana 𝛎 adalah frekuensi cahaya.
Contoh 7.2
Hitung energi (dalam joule) dari (a) foton dengan panjang gelombang 5,00 x 10⁴ nm (wilayah inframerah) dan (b) foton dengan panjang gelombang 5,00 x 10⁻² nm (wilayah sinar X).
Strategi
Baik dalam (a) dan (b) kita diberi panjang gelombang foton dan diminta untuk menghitung energinya. Kita perlu menggunakan Persamaan (7.3) untuk menghitung energi. Konstanta Planck diberikan dalam lampiran.
Penyelesaian
Dari persamaan 7.3
Ini adalah energi dari satu foton dengan panjang gelombang 5,00 x 10⁴ nm.
(b) Dengan mengikuti prosedur yang sama seperti pada (a), kita dapat menunjukkan bahwa energi foton yang memiliki panjang gelombang 5,00 x 10⁻² nm adalah 3,98 x 10⁻¹⁵ J.
Periksa
Karena energi foton meningkat dengan menurunnya panjang gelombang, kita melihat bahwa foton "sinar-X" adalah 1 x 10⁶, atau satu juta kali, lebih energik daripada foton "inframerah".
Latihan
Energi foton adalah 5,87 x 10⁻²⁰ J. Berapa panjang gelombangnya (dalam nanometer)?
Elektron ditahan dalam logam oleh gaya tarik menarik, dan karenanya mengeluarkannya dari logam membutuhkan cahaya dengan frekuensi cukup tinggi (yang sesuai dengan energi cukup tinggi) untuk membebaskannya. Menyinari seberkas cahaya ke permukaan logam dapat dianggap sebagai menembakkan seberkas partikel — foton — pada atom logam. Jika frekuensi foton sedemikian rupa sehingga h𝛎 persis sama dengan energi yang mengikat elektron dalam logam, maka cahaya akan memiliki energi yang cukup untuk melepaskan elektron. Jika kita menggunakan cahaya dengan frekuensi yang lebih tinggi, maka elektron tidak hanya akan terurai, tetapi mereka juga akan memperoleh energi kinetik. Situasi ini diringkas oleh persamaan
h𝛎 = EK + W (7.4)
di mana EK adalah energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan dan W adalah fungsi kerja, yang merupakan ukuran seberapa kuat elektron dipegang dalam logam. Persamaan Penulisan Ulang (7.4) sebagai
EK = h𝛎 - W
menunjukkan bahwa semakin energik foton (yaitu, semakin tinggi frekuensinya), semakin besar energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan.
Sekarang perhatikan dua sinar cahaya yang memiliki frekuensi yang sama (yang lebih besar dari frekuensi ambang batas) tetapi intensitasnya berbeda. Sinar cahaya yang lebih intens terdiri dari sejumlah besar foton; akibatnya, ia mengeluarkan lebih banyak elektron dari permukaan logam daripada berkas cahaya yang lebih lemah. Dengan demikian, semakin kuat cahayanya, semakin besar jumlah elektron yang dipancarkan oleh logam target; semakin tinggi frekuensi cahaya, semakin besar energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan.
Contoh 7.3
Fungsi kerja logam sesium adalah 3,42 x 10⁻¹⁹ J. (a) Hitung frekuensi minimum cahaya yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari logam. (b) Hitung energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan jika cahaya frekuensi 1,00 x 10¹⁵ s⁻¹ digunakan untuk menyinari logam.
Strategi
(a) Hubungan antara fungsi kerja dan frekuensi cahaya diberikan oleh Persamaan (7.4). Frekuensi minimum cahaya yang dibutuhkan untuk mengeluarkan elektron adalah titik di mana energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan adalah nol. (b) Mengetahui kedua fungsi kerja dan frekuensi cahaya, kita dapat memecahkan untuk energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan.
Penyelesaian
(a) Pengaturan EK = 0 dalam Persamaan (7.4), kita menuliskan
h𝛎 = W
sehingga
EK = h𝛎 - W
= (6,63 x 10⁻³⁴ J / s)(1,00 x 10¹⁵ s⁻¹) - 3,42 x 10⁻¹⁹ J
= 3,21 x 10⁻¹⁹ J
Periksa
Energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan (3,21 x 10⁻¹⁹ J) lebih kecil dari energi foton (6,63 x 10⁻¹⁹ J). Karena itu, jawabannya masuk akal.
Latihan
Fungsi kerja logam titanium adalah 6,93 x 10⁻¹⁹ J. Hitung energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan jika cahaya frekuensi 2,50 x 10¹⁵ s⁻¹ digunakan untuk menyinari logam.
Teori cahaya Einstein menimbulkan dilema bagi para ilmuwan. Di satu sisi, ini menjelaskan efek fotolistrik dengan memuaskan. Di sisi lain, teori partikel cahaya tidak konsisten dengan perilaku gelombang cahaya yang diketahui. Satu-satunya cara untuk menyelesaikan dilema adalah dengan menerima gagasan bahwa cahaya memiliki sifat mirip partikel dan gelombang. Bergantung pada eksperimen, cahaya berperilaku baik sebagai gelombang atau sebagai aliran partikel. Konsep ini, yang disebut dualitas gelombang partikel, benar-benar asing dengan cara para fisikawan memikirkan materi dan radiasi, dan butuh waktu lama bagi mereka untuk menerimanya. Kita akan melihat dalam Bagian 7.4 bahwa sifat ganda (partikel dan gelombang) tidak unik hanya untuk cahaya tetapi merupakan karakteristik dari semua materi, termasuk elektron.
Ulasan Konsep
Permukaan logam yang bersih diiradiasi dengan cahaya tiga panjang gelombang yang berbeda 𝝀₁, 𝝀₂, dan 𝝀₃. Energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan adalah sebagai berikut: 𝝀₁: 2,9 x 10⁻²⁰ J; 𝝀₂: sekitar nol; 𝝀₃: 4,2 x 10⁻¹⁹ J. Cahaya mana yang memiliki panjang gelombang terpendek dan yang memiliki panjang gelombang paling panjang?
No comments:
Post a Comment
Note: Only a member of this blog may post a comment.