Efek Fotolistrik: Bukti Kuantisasi Cahaya — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa menghitung energi kinetik maksimum elektron fotolistrik lewat persamaan Einstein dan menjelaskan peran frekuensi ambang serta fungsi kerja.

Saat akhir abad ke-19, fisikawan menemukan hal aneh: cahaya yang disinarkan ke pelat logam bisa melepas elektron. Tapi ada teka-teki yang merontokkan teori gelombang cahaya — sekuat apa pun kau terangi logam natrium dengan cahaya merah, tak satu elektron pun lepas. Ganti dengan cahaya biru redup, elektron meluncur keluar seketika. Albert Einstein memecahkannya pada 1905 dengan gagasan radikal: cahaya datang dalam paket energi diskret bernama foton. Geser slider frekuensi di bawah dan saksikan elektron melompat lewat gerbang ambang.

Geser slider frekuensi cahaya dan amati energi kinetik elektron yang lepas, nol di bawah frekuensi ambang lalu naik linier.

Teori gelombang gagal menjelaskan ambang frekuensi

Penemuan Hertz 1887 menunjukkan bahwa cahaya yang mengenai pelat logam dapat melepas elektron — fenomena ini disebut efek fotolistrik. Menurut teori gelombang klasik, gelombang cahaya membawa energi yang terserap logam secara kontinu; makin kuat intensitas, makin banyak energi, makin cepat elektron lepas. Eksperimen membuktikan sebaliknya: cahaya merah sekuat apa pun pada natrium tak melepaskan satu elektron pun, sedangkan cahaya ungu redup melepaskan elektron seketika. Teori gelombang pun runtuh.

Efek fotolistrik adalah pelepasan elektron (disebut fotoelektron) dari permukaan logam saat disinari cahaya dengan frekuensi melebihi nilai minimum yang khas untuk logam itu. Energi cahaya tidak terbagi kontinu, melainkan datang dalam paket diskret bernama foton.

Bayangkan elektron di dalam logam seperti bola terbenam di lumpur. Untuk mengeluarkannya kau butuh satu tendangan yang cukup kuat — bukan banyak tendangan lembut. Cahaya merah = ribuan tendangan lembut (tak pernah cukup); cahaya biru = satu tendangan kuat yang melontarkan bola keluar. Inilah inti kuantisasi: energi cahaya tak bisa ditumpuk-tumpuk, harus diserap sekaligus oleh satu foton.

Persamaan Einstein: energi foton dikurangi fungsi kerja

Einstein 1905 menjelaskan efek fotolistrik dengan satu persamaan yang kelak membuahkannya Hadiah Nobel 1921. Setiap foton membawa energi $E = hf$ , di mana $h$ konstanta Planck dan $f$ frekuensi cahaya. Saat foton mengenai logam, sebagian energi dipakai elektron untuk melepaskan diri dari ikatan logam (sebesar fungsi kerja $W$ , khas tiap logam); sisanya menjadi energi kinetik elektron yang lepas.

$E_{K,\text{maks}} = hf - W$

Arti tiap simbol: $E_{K,\text{maks}}$ = energi kinetik maksimum elektron yang lepas (joule), $h = 6{,}626 \times 10^{-34}$ J·s (konstanta Planck), $f$ = frekuensi cahaya (Hz), $W$ = fungsi kerja logam (joule, khas tiap logam). Agar elektron lepas, haruslah $hf \geq W$ , yaitu $f \geq f_0 = W/h$ . Frekuensi minimum $f_0$ ini disebut frekuensi ambang.

Grafik di bawah memperlihatkan bagaimana arus fotolistrik bergantung pada intensitas cahaya — asalkan frekuensi sudah melewati ambang. Makin terang cahaya (makin banyak foton per detik), makin banyak elektron yang lepas, sehingga arus membesar. Tapi energi tiap elektron tidak berubah.

Frekuensi ambang: sidik jari tiap logam

Setiap logam punya fungsi kerja berbeda, sehingga frekuensi ambangnya pun berbeda. Natrium dan kalium rendah ambangnya (cahaya tampak sudah cukup), tembaga dan seng tinggi (butuh ultraviolet). Inilah sebabnya sel surya memakai silikon yang ambangnya cocok dengan spektrum matahari, dan sel fotolistrik pemadam asap memakai logam peka ultraviolet.

$f_0 = \frac{W}{h}, \qquad \lambda_0 = \frac{hc}{W}$

Arti tiap simbol: $f_0$ = frekuensi ambang (Hz), $W$ = fungsi kerja (joule), $h = 6{,}626 \times 10^{-34}$ J·s, $\lambda_0$ = panjang gelombang ambang (m), $c = 3{,}0 \times 10^8$ m/s. Cahaya dengan $f < f_0$ atau $\lambda > \lambda_0$ tak melepaskan elektron sekuat apa pun intensitasnya.

Grafik di bawah membandingkan garis $E_K$ vs $f$ untuk tiga logam berbeda. Kemiringan ketiganya sama ( $= h$ ), tapi titik potong sumbu-x (frekuensi ambang) berbeda. Geser slider untuk memilih logam.

Diagram di bawah memvisualkan konseptual bagaimana energi foton berukuran berbeda menghadapi “tembok” fungsi kerja. Seret titik untuk membandingkan tiga skenario: foton di bawah ambang (terserap tapi elektron tak lepas), tepat di ambang (elektron lepas dengan EK nol), dan jauh di atas ambang (elektron lepas dengan EK besar).

Diagram segi-banyak yang merepresentasikan tingkat energi logam dan foton. Tinggi bangun menggambarkan energi foton hf; garis bawah = fungsi kerja W. Bila tinggi foton di bawah W, elektron tak lepas (terserap, EK nol); bila di atas, kelebihannya menjadi EK elektron. Seret titik untuk membandingkan tiga skenario: foton lemah, foton ambang, foton kuat. Preset menandai ketiganya.

Walaupun fisika kuantum tidak masuk cakupan resmi TKA Fisika (kelistrikan TKA terbatas statis + arus searah), efek fotolistrik adalah materi wajib ujian sekolah kelas 12 dan sering muncul di olimpiade. Tip soal lazim: (1) hitung $E_K = hf - W$ dari data frekuensi dan fungsi kerja; (2) tentukan apakah elektron lepas ( $f \gtrless f_0$ ); (3) konversi panjang gelombang ke frekuensi ( $f = c/\lambda$ ) sebelum substitusi. Jebakan klasik: keliru menyamakan intensitas dengan energi per foton — intensitas hanya menentukan jumlah elektron, bukan energi tiap elektron; atau lupa konversi eV ke joule saat fungsi kerja diberi dalam eV ( $1$ eV $= 1{,}6 \times 10^{-19}$ J).

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Pelat natrium dengan fungsi kerja $W = 3{,}7 \times 10^{-19}$ J disinari cahaya dengan panjang gelombang $\lambda = 450$ nm (biru). (a) Berapa energi kinetik maksimum elektron yang lepas? (b) Berapa panjang gelombang ambang natrium? ( $h = 6{,}626 \times 10^{-34}$ J·s, $c = 3{,}0 \times 10^8$ m/s.)

$\lambda = 450$ nm $= 450 \times 10^{-9}$ m $= 4{,}5 \times 10^{-7}$ m. $f = \dfrac{c}{\lambda} = \dfrac{3{,}0 \times 10^8}{4{,}5 \times 10^{-7}} \approx 6{,}67 \times 10^{14}$ Hz.

Frekuensi ambang $f_0 = \dfrac{W}{h} = \dfrac{3{,}7 \times 10^{-19}}{6{,}626 \times 10^{-34}} \approx 5{,}58 \times 10^{14}$ Hz. Karena $f = 6{,}67 \times 10^{14} > f_0 = 5{,}58 \times 10^{14}$ Hz, elektron akan lepas.

$E_{K,\text{maks}} = hf - W = (6{,}626 \times 10^{-34})(6{,}67 \times 10^{14}) - 3{,}7 \times 10^{-19} = 4{,}42 \times 10^{-19} - 3{,}7 \times 10^{-19} = 0{,}72 \times 10^{-19}$ J $\approx 7{,}2 \times 10^{-20}$ J. Panjang gelombang ambang: $\lambda_0 = \dfrac{hc}{W} = \dfrac{(6{,}626 \times 10^{-34})(3{,}0 \times 10^8)}{3{,}7 \times 10^{-19}} \approx 5{,}37 \times 10^{-7}$ m $= 537$ nm (hijau-kuning) — cahaya dengan $\lambda > 537$ nm tak melepaskan elektron dari natrium.

Jebakan: mengira intensitas cahaya memperbesar energi kinetik tiap elektron. Yang benar: intensitas hanya memperbanyak jumlah foton (dan jumlah elektron yang lepas), tetapi energi tiap foton (dan EK tiap elektron) ditentukan oleh frekuensi, bukan intensitas. Cahaya merah terang memberi EK yang sama dengan cahaya merah redup — yakni nol bila di bawah ambang.

Jebakan: lupa konversi eV ke joule saat fungsi kerja diberi dalam eV. Yang benar: persamaan $E_K = hf - W$ memakai SI (joule). Bila $W = 2{,}3$ eV, kalikan dulu dengan $1{,}6 \times 10^{-19}$ J/eV menjadi $3{,}7 \times 10^{-19}$ J. Mencampur eV dengan $h$ dalam J·s menghasilkan kesalahan faktor $10^{19}$ .

Jebakan: keliru menghitung frekuensi dari panjang gelombang — memakai $f = \lambda/c$ alih-alih $f = c/\lambda$ . Yang benar: $f = c/\lambda$ . Panjang gelombang 450 nm menghasilkan frekuensi $(3 \times 10^8)/(450 \times 10^{-9}) \approx 6{,}7 \times 10^{14}$ Hz, bukan bilangan kecil tak bermakna.

Efek fotolistrik: pelepasan elektron dari logam oleh cahaya dengan $f \geq f_0$ (frekuensi ambang).
Persamaan Einstein: $E_{K,\text{maks}} = hf - W$ ; ambang $f_0 = W/h$ , $\lambda_0 = hc/W$ .
Intensitas cahaya menentukan jumlah elektron yang lepas, bukan energi tiap elektron.
Fungsi kerja $W$ khas tiap logam; natrium rendah, tembaga tinggi (butuh UV).
Energi foton $E = hf$ menjadi bukti kuantisasi cahaya — runtuhnya teori gelombang klasik.