Faktor yang mempengaruhi besarnya energi kinetik maksimum pada efek fotolistrik

Pembahasan soal-soal Ujian Nasional (UN) bidang studi Fisika SMA dengan materi pembahasan Efek Fotolistrik yang meliputi faktor-faktor yang memengaruhi efek fotolistrik, hubungan antara frekuensi, panjang gelombang, intensitas foton, serta energi ambang terhadap lepasnya elektron, kecepatan, dan energi kinetik yang dihasilkan.

Faktor-faktor sebagai berikut:

  1. Frekuensi foton yang datang.
  2. Fungsi kerja logam.
  3. Intensitas cahaya yang datang.
  4. Tetapan Stefan-Boltzmann.
Yang memengaruhi besarnya energi kinetik maksimum pada efek fotolistrik adalah .... A.   (1) dan (2) B.   (1) dan (3) C.   (2) dan (3) D.   (2) dan (4)

E.   (3) dan (4)





Energi kinetik yang terjadi pada peristiwa efek fotolistrik dirumuskan sebagai:

Ek = hf − W

dengan:

f   : frekuensi foton yang datang


h  : tetapan Planck
W : energi ambang atau fungsi kerja logam Jadi, faktor yang memengaruhi energi kinetik maksimum pada efek fotolistrik adalah pernyataan 1 dan 2 (A).

Perhatikan pernyataan berikut!

  1. Frekuensi cahaya yang menyinari katoda harus lebih besar dari frekuensi ambang.
  2. Fungsi kerja logam katoda lebih besar dari energi cahaya yang menyinari katoda.
  3. Panjang gelombang ambang harus lebih besar dari panjang gelombang cahaya yang menyinari katoda.
  4. Energi kinetik elektron yang terlepas dari katoda harus lebih besar dari energi ambang.
Agar terjadi fotoelektron maka harus memenuhi .... A.   (1) dan (2) B.   (1) dan (3) C.   (2) dan (3) D.   (2) dan (4)

E.   (3) dan (4)


Fotoelektron adalah terlepasnya elektron dari permukaan logam karena logam tersebut disinari oleh cahaya (foton). Terlepasnya elektron tersebut akan menimbulkan energi kinetik yang dirumuskan:

Ek = E − W


     = hf − hf0
     = hc/λ − hc/λ0 Berdasarkan rumus tersebut, agar terjadi fotoelektron (menghasilkan energi kinetik) maka:
  • Fungsi kerja logam (W) harus lebih kecil energi foton (E) [pernyataan 2 salah]
  • Frekuensi cahaya yang datang (f) harus lebih besar dari frekuensi ambang logam (f0) [pernyataan 1 benar]
  • Panjang gelombang ambang (λ0) harus lebih besar daripada panjang gelombang sinar datang (λ). [pernyataan 3 benar]
Jadi, agar terjadi fotoelektron maka harus memenuhi pernyataan 1 dan 3 (B).

Pernyataan yang benar tentang efek fotolistrik adalah … A.   Peristiwa efek fotolistrik dapat dijelaskan dengan menganggap cahaya sebagai gelombang. B.   Elektron yang keluar dari permukaan logam akan berkurang jika frekuensi cahayanya diperbesar. C.   Intensitas cahaya tidak memengaruhi energi elektron yang keluar dari permukaan logam. D.   Efek fotolistrik terjadi pada daerah inframerah.

E.   Efek fotolistrik akan terjadi asalkan intensitas cahaya yang mengenai logam cukup besar.





Penjelasan tentang efek fotolistrik adalah sebagai berikut:
  • Efek fotolistrik adalah salah satu bukti bahwa cahaya bisa berlaku sebagai partikel [opsi A salah]
  • Jika frekuensi cahaya diperbesar maka gerak elektron semakin cepat sehingga menghasilkan energi kinetik yang besar [opsi B salah]
  • Intensitas cahaya hanya memperbanyak elektron yang lepas tetapi tidak memengaruhi gerak elektron dan energi yang dihasilkan [opsi C benar, E salah]
  • Efek fotolistrik terjadi pada daerah cahaya tampak [opsi D salah]
Jadi, pernyataan yang benar tentang efek fotolistrik adalah opsi (C).

Perhatikan pernyataan berikut!

  1. Lepas tidaknya elektron dari logam ditentukan oleh panjang gelombang cahaya yang datang.
  2. Intensitas cahaya yang datang tidak menjamin keluarnya elektron dari permukaan logam.
  3. Di bawah frekuensi ambang, elektron tetap keluar dari logamnya asal intensitas cahaya yang datang diperbesar.
Pernyataan yang benar yang berkaitan dengan efek fotolistrik adalah …. A.   (1), (2), dan (3) B.   (1) dan (2) saja C.   (1) dan (3) saja D.   (2) dan (3) saja

E.   (3) saja


Mari kita amati ketiga pernyataan di atas!
  • Lepas tidaknya elektron bergantung pada frekuensi (f) atau panjang gelombang (λ) cahaya yang datang (lihat rumus pada soal no. 127) [pernyataan 1 benar]
  • Meskipun intensitas cahaya yang datang besar tetapi jika frekuensinya masih di bawah ambang logam maka elektron tidak akan keluar dari permukaan logam [pernyataan 2 benar dan 3 salah]
Jadi, Pernyataan yang benar yang berkaitan dengan efek fotolistrik adalah pernyataan 1 dan 2 (B).

Perhatikan gambar di bawah ini!


Bila tetapan Planck 6,6 × 10–34 Js maka fungsi kerja logam A adalah …. A.   0 joule

B.   6,6 × 10–20 joule


C.   6,6 × 10–26 joule
D.   6,6 × 10–34 joule
E.   6,6 × 10–48 joule



Energi kinetik yang dihasilkan dalam peristiwa efek fotolistrik dirumuskan:

Ek = hf − W

Untuk mendapatkan nilai fungsi kerja logam (W) bisa memanfaatkan salah satu data pada grafik di atas.

Misal kita mengambil data pertama:

   f = 2 ×1014 Hz


Ek = 6,6 × 10–20 J Dengan demikian, diperoleh:

Ek = hf − W    atau


W = hf − Ek
    = 6,6 × 10–34 × 2 ×1014 − 6,6 × 10–20
    = 2 × 6,6 × 10–20 − 6,6 × 10–20
    = 6,6 × 10–20 (2 − 1)
    = 6,6 × 10–20

Jadi, fungsi kerja logam A adalah 6,6 × 10–20 J (B).

Pembahasan soal Efek Fotolistrik yang lain bisa disimak di:

Pembahasan Fisika UN 2014 No. 37


Pembahasan Fisika UN 2015 No. 37
Pembahasan Fisika UN 2016 No. 38

Simak juga, Pembahasan Fisika UN; Fisika Inti.

Dapatkan pembahasan soal dalam file pdf  di sini.

Demikian, berbagi pengetahuan bersama Kak Ajaz. Silakan bertanya di kolom komentar apabila ada pembahasan yang kurang jelas. Semoga berkah.

Suatu eksperimen dilakukan pada akhir abad ke-19 untuk mengamati fenomena radiasi. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa cahaya yang menumbuk permukaan logam tertentu menyebabkan elektron terlepas dari permukaan logam tersebut. Fenomena ini dikenal sebagai Efek Fotolistrik dan elektron yang terlepas disebut sebagai fotoelektron. Skema eksperimen yang dilakukan dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Skema eksperimen fotolistrik. Sumber gambar: Serway, Jewet

Eksperimen dilakukan dengan menembakkan berkas cahaya ke sebuah plat logam E yang terdapat pada selubung gelas (agar kondisi eksperimen terkontrol). Terdapat sebuah plat logam lain (plat C) yang diposisikan sejajar untuk menangkap elektron yang keluar dari plat E. Kedua plat tersebut tersambung dengan sebuah sirkuit dimana terdapat amperemeter untuk membaca aliran elektron dari plat E ke plat C.

Hubungan arus fotolistrik dengan perbedaan potensial (voltase) yang terbaca dari hasil eksperimen plat E dan plat C untuk dua jenis intensitas cahaya ditunjukkan pada grafik dibawah. Saat nilai voltase tinggi, besar arus menunjukkan nilai yang maksimal dan besar arus tersebut tidak dapat bertambah naik. Besarnya arus maksimum dapat bertambah jika intensitas cahaya ditingkatkan, hal ini terjadi karena semakin tinggi intensitas cahaya yang ditembakkan maka semakin banyak elektron yang keluar dari plat logam. Ketika besar beda potensial (voltase) makin mengecil dan bahkan nilainya sampai minus (-V0), ternyata tidak ada arus yang mengalir yang menandakan tidak ada fotoelektron yang mengalir dari plat E ke plat C. Potensial V0 disebut sebagai potensial henti.

Dari hasil eksperimen yang dilakukan, ternyata nilai beda potensial tidak bergantung pada intensitas cahaya yang diberikan, akan tetapi karena banyaknya muatan fotoelektron yang keluar dari plat. Hal ini menunjukkan bahwa besarnya energi kinetik maksimum dari efek fotolistrik dirumuskan sebagai berikut:

Dimana,

adalah muatan elektron (C),

adalah potensial henti (volt),

Persamaan ini memungkinkan kita untuk mengukur besarnya nilai energi kinetik maksimum secara eksperimental dengan menentukan beda potensial saat nilai arus sama dengan nol.

Dari eksperimen efek fotolistrik yang dilakukan, ternyata teori klasik yang menyatakan cahaya sebagai gelombang gagal menjelaskan mengenai sifat-sifat cahaya yang terjadi pada efek fotolistrik. Oleh karena itu, teori kuantum Einstein dipakai untuk menjelaskan sifat penting cahaya pada fenomena ini.

Teori Kuantum Mengenai Efek Fotolistrik

Pada model Einstein mengenai efek fotolistrik, sebuah foton dengan intensitas cahaya memberikan semua energinya hf ke sebuah elektron yang terdapat di plat logam. Akan tetapi, penyerapan energi oleh elektron tidak terjadi secara terus-menerus dimana energi dipindahkan ke elektron dengan paket tertentu, berbeda seperti yang dijabarkan pada teori gelombang. Pemindahan energi tersebut terjadi dengan konfigurasi satu foton untuk satu elektron.

Elektron keluar dari permukaan plat logam dan tidak bertabrakan dengan atom lainnya sebelum mengeluarkan energi kinetik maksimum . Menurut Einstein, besarnya energi kinetik maksimum untuk elektron yang terbebas tersebut dirumuskan dengan:

Dimana,

adalah konstanta Planck (Js),

adalah frekuensi foton (Hz),

adalah fungsi kerja (eV),

Fungsi kerja menggambarkan energi minimum yang diperlukan agar elektron dapat terus menempel pada logam.

Dengan menggunakan foton sebagai model cahaya, efek fotolistrik dapat dijelaskan dengan benar daripada yang diprediksikan oleh konsep-konsep klasik, yaitu:

  1. Besarnya energi kinetik yang dikeluarkan fotoelektron tidak bergantung pada intensitas cahaya. Jika intensitas cahaya digandakan, maka jumlah fotoelektron yang keluar juga berlipat ganda, namun besarnya energi kinetik maksimum pada setiap fotoelektron nilainya tidak berubah.
  2. Elektron terlepas dari logam dalam waktu yang singkat. Selang waktu antara cahaya yang datang dan fotoelektron yang keluar tergantung pada besarnya paket energi yang dibawa foton. Jika intensitas cahaya yang diterima rendah, hanya sedikit foton yang datang per unit waktu.
  3. Keluarnya elektron tidak bergantung pada frekuensi cahaya. Jika energi yang dibawa foton besarnya tidak lebih dari fungsi kerja, maka elektron tidak dapat dikeluarkan dari permukaan logam.
  4. Besarnya energi kinetik maksimum fotoelektron bergantung pada frekuensi cahaya. Sebuah foton dengan frekuensi yang lebih besar membawa energi yang lebih besar dan akan mengeluarkan fotoelektron dengan enrgi kinetik yang lebih besar dibandingkan dengan foton berfrekuensi rendah.

Model Einstein mampu memprediksi hubungan antara energi kinetik maksimum elektron dan frekuensi cahaya. Hasil eksperimen yang membuktikan teori Einstein tersebut dapat dilihat pada grafik dibawah.

Terdapat frekuensi ambang logam dimana jika frekuensi cahaya berada dibawah frekuensi ambang maka tidak ada fotoelekton yang terlepas. Frekuensi ambang tersebut berhubungan dengan fungsi kerja sebagai berikut:

Dimana,

adalah frekuensi ambang (Hz),

Dengan menggabungkan persamaan diatas dengan persamaan sebelumnya, maka besarnya energi kinetik maksimum dari sebuah elektron yang terlepas diformulasikan dengan:

Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya, elektron dapat keluar dan timbul energi kinetik jika frekuensi cahaya yang diantarkan oleh paket yang dibawa foton lebih besar dari frekuensi ambangnya.

Selain itu, dapat diketahui pula panjang gelombang ambang berdasarkan frekuensi ambangnya:

Dimana,

adalah kecepatan cahaya (3 x 108 m/s),

=1240 eV.nm,

Contoh Soal Efek Fotolistrik

Sebuah permukaan logam natrium diterangi dengan cahaya yang memiliki panjang gelombang 300 nm. Tentukan energi kinetik maksimum yang dikeluarkan fotoelektron dan tentukan besar panjang gelombang ambang untuk natrium.

Pembahasan:

Berikut ini nilai fungsi kerja  dari berbagai logam:

Logam  (eV)
Na 2,46
Al 4,08
Fe 4,50
Cu 4,70
Zn 4,31
Ag 4,73
Pt 6,35
Pb 4,14

Diketahui besar fungsi kerja natrium sebesar 2,46 eV.

Diketahui bahwa:

Dengan memakai persamaan energi kinetik maksimum, diketahui:

Sehingga, nilai energi kinetik maksimum didapat sebesar:

Kemudian, didapatkan nilai frekuensi ambang untuk natrium sebesar:

Kontributor: Ibadurrahman
Mahasiswa S2 Teknik Mesin FT UI

Materi StudioBelajar.com lainnya:

  1. Kapasitor
  2. Hukum Hooke
  3. Gelombang Bunyi