Efek Fotolistrik – persamaan, faktor, soal

Efek fotolistrik menimbulkan tantangan yang signifikan untuk mempelajari optik di bagian akhir tahun 1800-an. Ini menantang teori gelombang cahaya klasik, yang merupakan teori yang berlaku saat itu. Itu adalah solusi untuk dilema fisika yang melambungkan Einstein menjadi terkenal di komunitas fisika, akhirnya memberinya Hadiah Nobel 1921.

Apa Itu Efek Fotolistrik?

Ketika sumber cahaya (atau, lebih umum, radiasi elektromagnetik) terjadi pada permukaan logam, permukaan tersebut dapat memancarkan elektron. Elektron yang dipancarkan dengan cara ini disebut fotoelektron (walaupun masih hanya elektron). Ini digambarkan pada gambar di sebelah kanan.

Menyiapkan Efek Fotolistrik

Dengan memberikan potensial tegangan negatif (kotak hitam pada gambar) ke kolektor, dibutuhkan lebih banyak energi bagi elektron untuk menyelesaikan perjalanan dan memulai arus. Titik di mana tidak ada elektron yang sampai ke kolektor disebut potensial henti V _s , dan dapat digunakan untuk menentukan energi kinetik maksimum Kmax _elektron ( yang memiliki muatan elektronik e ) dengan menggunakan persamaan berikut:

K _maks = eV _s

Penjelasan Gelombang Klasik

Tiga prediksi utama berasal dari penjelasan klasik ini:

1. Intensitas radiasi harus memiliki hubungan yang proporsional dengan energi kinetik maksimum yang dihasilkan.
2. Efek fotolistrik harus terjadi untuk cahaya apa pun, terlepas dari frekuensi atau panjang gelombang.
3. Harus ada penundaan urutan detik antara kontak radiasi dengan logam dan pelepasan awal fotoelektron.

Hasil Percobaan

1. Intensitas sumber cahaya tidak berpengaruh pada energi kinetik maksimum fotoelektron.
2. Di bawah frekuensi tertentu, efek fotolistrik tidak terjadi sama sekali.
3. Tidak ada penundaan yang signifikan (kurang dari 10 ^-9 detik) antara aktivasi sumber cahaya dan emisi fotoelektron pertama.

Seperti yang Anda ketahui, ketiga hasil ini adalah kebalikan dari prediksi teori gelombang. Bukan hanya itu, tetapi ketiganya benar-benar kontra-intuitif. Mengapa cahaya frekuensi rendah tidak memicu efek fotolistrik, karena masih membawa energi? Bagaimana fotoelektron lepas begitu cepat? Dan, mungkin yang paling aneh, mengapa menambahkan lebih banyak intensitas tidak menghasilkan pelepasan elektron yang lebih energik? Mengapa teori gelombang gagal total dalam kasus ini ketika ia bekerja dengan sangat baik dalam banyak situasi lainnya

Tahun Menakjubkan Einstein

Albert Einstein Annalen der Physik

Berdasarkan teori radiasi benda hitam Max Planck, Einstein mengusulkan bahwa energi radiasi tidak terdistribusi secara terus-menerus pada muka gelombang, tetapi terlokalisasi dalam kumpulan kecil (kemudian disebut foton). Energi foton akan dikaitkan dengan frekuensinya ( ν ), melalui konstanta proporsionalitas yang dikenal sebagai konstanta Planck ( h ), atau secara bergantian, menggunakan panjang gelombang ( λ ) dan kecepatan cahaya ( c ):

E = hν = hc / λ

atau persamaan momentum: p = h / λ

νφ

Namun, jika terdapat kelebihan energi, di luar φ , di dalam foton, kelebihan energi diubah menjadi energi kinetik elektron:

K _maks = hν – φ

Energi kinetik maksimum dihasilkan ketika elektron yang ikatannya paling lemah terlepas, tetapi bagaimana dengan elektron yang ikatannya paling rapat; Yang di mana hanya ada cukup energi di foton untuk melepaskannya, tetapi energi kinetik yang menghasilkan nol? Mengatur K _max sama dengan nol untuk frekuensi cutoff ini ( ν _c ), kita mendapatkan:

ν _c = φ / jam

atau panjang gelombang cutoff: λ _c = hc / φ

Setelah Einstein

Yang paling signifikan, efek fotolistrik, dan teori foton yang diilhaminya, menghancurkan teori gelombang cahaya klasik. Meskipun tidak ada yang dapat menyangkal bahwa cahaya berperilaku sebagai gelombang, setelah makalah pertama Einstein, tidak dapat disangkal bahwa ia juga merupakan sebuah partikel.

Persamaan Efek Fotolistrik

Energi foton sama dengan jumlah energi ambang logam dan energi kinetik fotoelektron.

KE _maks = hv–ϕ

di mana,

• KE _max adalah energi kinetik maksimum fotoelektron
• hv adalah energi foton.
• φ adalah fungsi kerja logam

Fungsi kerja ditentukan oleh logam yang bersangkutan, dan akan berubah jika logam tersebut diubah. Fungsi kerja kadang-kadang didefinisikan dalam istilah frekuensi ambang, yang merupakan frekuensi cahaya yang energi kinetik maksimal fotoelektron yang dipancarkan adalah nol.

ϕ=hv ₀

di mana,

• v ₀ adalah frekuensi ambang batas.
• h adalah konstanta Planck.

Energi kinetik maksimum tetap konstan dengan meningkatnya intensitas cahaya, tetapi nilai arus foto meningkat.

• Frekuensi ambang bervariasi berdasarkan bahan; bahan yang berbeda memiliki frekuensi ambang yang bervariasi.
• Arus fotolistrik sebanding dengan intensitas cahaya.
• Energi kinetik fotoelektron berhubungan dengan frekuensi cahaya.
• Frekuensi berbanding lurus dengan potensi penghentian, dan prosesnya segera.

Faktor-faktor yang mempengaruhi Efek Fotolistrik

Efek fotolistrik tergantung pada :

1. Intensitas radiasi insiden.
2. Perbedaan potensial antara pelat logam dan kolektor.
3. Frekuensi radiasi insiden.

Contoh Pertanyaan

Pertanyaan 1: Berapa massa foton?

Menjawab:

Massa diam foton adalah nol, yang menunjukkan bahwa jika foton bergerak, ia akan memiliki momentum tertentu, yang setara dengan massa, tetapi saat diam, massa foton akan menjadi nol.

Pertanyaan 2: Apa itu frekuensi ambang?

Menjawab:

Frekuensi ambang cahaya adalah frekuensi di mana energi kinetik fotoelektron adalah nol dan cukup untuk memancarkan fotoelektron. Fungsi kerja logam sama dengan energi yang terkait dengan frekuensi ambang.

Soal 3: Cahaya dengan panjang gelombang 4000 Å datang pada pelat logam yang fungsi kerjanya 2eV. Berapa energi kinetik maksimum fotoelektron yang dipancarkan?

Menjawab:

Panjang gelombang cahaya adalah λ=4000 Å dan fungsi kerja, φ0=2eV

Dari persamaan Fotolistrik Einstein, energi kinetik maksimum fotoelektron diberikan oleh,

K _maks = (hc/λ–φ0)

di mana ‘h’ adalah konstanta Planck dan ‘c’ adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa.

K _maks =(6,6×10 ^–34 ×3×10 ⁸ /4000×10 ^–10 –(2×1,6×10 ^–19 ))

K _maks =4,95×10 ^–19 /1,6 ×10 ^–19 eV–2eV=1,1eV

Energi kinetik maksimum 1.1eV.

Soal 4: Nilai potensial perlambatan yang diperlukan untuk menghentikan fotoelektron yang terlontar dari permukaan logam dengan fungsi kerja 1,2eV dengan energi cahaya 2eV adalah

Menjawab:

Fungsi kerja logamφ=1,2eV dan energi foton adalah hν=2eV.

Energi kinetik maksimal fotoelektron diberikan oleh persamaan fotolistrik Einstein:

eV=hv–φ

Di mana ‘V’ adalah potensi perlambatan atau potensi penghentian.

h adalah konstanta Planck.

φ adalah fungsi kerja logam.

V=(2eV–12eV)/e=0,8V

Dengan demikian, potensi perlambatan adalah 0,8V

Pertanyaan 5: Apa yang menghentikan potensi?

Menjawab:

Ketika logam yang menyala ditahan di katoda, potensial henti adalah potensial terendah di mana tidak ada fotoelektron yang mencapai anoda.

Pertanyaan 6: Apa itu fungsi kerja?

Menjawab:

Jumlah minimal energi yang diperlukan untuk mengekstraksi satu elektron dari kulit valensi logam. Itu semua tergantung pada jenis logam yang kita gunakan. Hanya pada frekuensi yang lebih besar dari frekuensi ambang efek fotolistrik terjadi; jika frekuensi gelombang cahaya kurang dari frekuensi ambang, efek fotolistrik tidak terjadi.