Teori Kuantum Planck

Energi Kuantum Planck (Efek Fotolistrik)

Cahaya bukan satu-satunya contoh gelombang elektromagnetik. Walaupun semua sifatnya memiliki pokok yang sama seperti interaksi dengan banyak materi yang bergantung dengan frekuensi gelombang. Gelombang cahaya merupakan frekuensi pendek yang terentang antara 4,3 x 1014 Hz hingga 7,5 x 1014 Hz (dari warna merah hingga warna ungu) – cepat rambat cahaya sebesar 3 x 108 m/s.

Karakteristik gelombang elektromagnetik seperti pula gelombang cahaya, dapat mengalami superposisi atau bergabungnya amplitudo gelombang-gelombang yang satu fase atau satu arah dalam amplitudo sesaat. Amplitudo adalah nilai maksimum dari perut gelombang.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/

Selain itu gelombang dapat mengalami interferensi konstruktif dan interferensi destruktif, interferensi berarti gabungan gelombang yang bertemu dapat menghasilkan gelombang baru atau saling meniadakan pengaruh satu sama lain. Salah satu contohnya melalui percobaan difraksi (oleh Young) pada pelajaran optik fisis. Ada nilai-nilai yang terekam sebagai daerah pita terang dan daerah pita gelap.

Percobaan Hertz menunjukkan bahwa pada salah satu celah pemancar (transmiter) jika cahaya ultraviolet diarahkan pada salah satu logam target akan memancar loncatan elektron saat diberi frekuensi cahaya yang sangat tinggi. Gejala ini dinamakan Efek Fotolistrik.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/50/Heinrich_Rudolf_Hertz.jpg

Gelombang cahaya membawa energi dan sebagian energi diserap oleh logam yang terkonsentrasi pada permukaan (terutama elektron pada kulit valensi di permukaan logam) yang dengan serta merta spontan menyerap energi cahaya pada frekuensi tinggi tersebut untuk dipertukarkan dengan energi statisnya, jika terjadi transaksi energi yang memadai maka elektron pada permukaan logam (kulit valensi) akan terlempar dan muncul sebagai energi kinetik.

Distribusi energi fotoelektron (foton) tidak bergantung dengan intensitas cahaya (kekuatan cahaya yang datang) melainkan bergantung dengan panjang pendek gelombang cahaya yang mengenai logam atau tinggi rendahnya frekuensi cahaya yang dikenakan terhadap logam target. Tidak terdapat keterlambatan waktu antara sinar datang dengan terpancarnya elektron saat peristiwa efek fotolistrik (sekitar 10-9 sekon jedanya).

Pemahaman ini mengasumsikan bahwa elektron sebagai partikel pembawa energi memenuhi hukum mekanika klasik momentum dan tumbukan saat mengenai elektron pada logam sasaran. Energi gelombang beralih rupa menjadi energi mekanika sederhana.

Contoh :
Arus fotolistrik terdeteksi saat intensitas energi elektromagnetik mencapai 10-6 W/m2 mengenai permukaan logam Natrium (Sodium), logam target tebalnya 1 atom mengandung 1019 partikel (jejari atom 0,528 Ă) luasnya 1 m2. Lapisan teratas elektron menerima data sebesar 10-25 Watt dengan waktu perambatan 1,6 x 10-6 sekon – diperlukan waktu 14 hari agar sebuah atom mencapai energi sebesar 1 eV. Dengan energi tersebut diperlukan waktu 2 bulan agar elektron target terlepas dari logam Natrium. Ketelitian waktu eksperimen 10-9 sekon .

Frekuensi yang lebih tinggi menghasilkan energi fotoelektron maksimum yang semakin tinggi pula.

Cahaya biru yang lemah menimbulkan elektron dengan energi yang lebih tinggi dibandingkan dengan cahaya merah yang kuat walaupun cahaya merah banyak menyebabkan elektron logam terlepas dari cangkangnya. Maka terdapat hubungan matematis :

EKmaksimum = hf – hf0 = hv – hv0

(v = f = frekuensi cahaya yang datang)

EK = energi kinetik (Joule); 1 eV = 1,609 x 10-19 Joule

Dengan v0 sebagai frekuensi ambang, di bawah frekuensi tersebut tidak akan terjadi pancaran foton atau tidak terjadi efek fotolistrik. Tetapan h (konstanta Planck) = 6,626 x 10-34 Js , nilai ini selalu sama walau disinari pada logam yang berlainan.

http://upload.wikimedia.org/

Teori Kuantum Cahaya

“Cahaya dengan frekuensi tertentu terdiri dari foton yang energinya berbanding lurus dengan frekuensi tersebut”

Tahun 1905, Einstein mengusulkan paradoks yang timbul dalam efek fotolistrik dengan pengertian radikal sebagaimana pernah diusulkan pada tahun 1900 oleh Max Planck, bahwa sepotong benda hitam padat yang menimbulkan cahaya tampak sebenarnya memancarkan panjang gelombang yang terlihat dan “cahaya” yang tak terlihat oleh mata manusia. Benda tidak memerlukan panas yang sangat tinggi untuk memancarkan gelombang elektromagnetik, sebab semua benda memancarkan energi semacam itu secara kontinu tanpa peduli pada temperatur yang dialami benda. Pada temperatur kamar 200C – 250C, sebagian besar radiasi gelombang elektromagnetik berada pada rentang inframerah dari spektrum gelombang elektromagnetik.

Planck menyatakan adanya rasio kecerahan (rasio kecemerlangan benda berdasar pada panjang gelombang yang dipancarkan sebagai fungsi temperatur yang dialami benda saat radiasi) pada unit yang sangat kecil dan terjadi secara tidak terus-menerus (diskontinu). Sebutan untuk satuan rasio ini adalah kuanta. Kuanta yang terpadu dalam frekuensi tertentu (mirip dengan frekuensi cahaya pada rentang gelombang elektromagnetik) mestinya memiliki energi E yang berbanding lurus dengan frekuensi cahaya pancaran diskontinu tersebut.

E = hv = hf

tetapan Planck x frekuensi = Energi Kuantum

h = tetapan Planck (6,626 x 10-34 Js)

Energi elektromagnetik yang diradiasikan benda muncul secara terputus-putus (diskontinu) dan penjalarannya dalam ruang merupakan gelombang elektromagnetik yang kontinu. Sementara menurut Einstein :

hv = EKmaksimum + hv0

bahwa kuanta menjalar tidak hanya berkelompok dalam gelombang tetapi bisa bergerak sendiri-sendiri layaknya sebuah partikel. Bagian “hv” disebutkan sebagai isi energi dari kuantum cahaya datang, EKmaksimum adalah energi kinetik maksimum elektron foto dari logam, hv0 = energi minimum yang diperlukan elektron untuk melepaskan diri dari permukaan logam yang disinari.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/

Einstein menyebutkan harus ada fungsi kerja yang diperlukan elektron untuk melepaskan diri dari permukaan logam (target) walaupun tidak ada cahaya yang datang. hv0 selanjutnya disebut sebagai “Fungsi Kerja”. Setiap logam memiliki karakteristik fungsi kerja yang berbeda walaupun dihuni oleh elektron yang sama, hal ini disebabkan interaksi ikatan antara elektron-elektron pada logam-logam yang berlainan dengan energi ikatan logam awalnya.

Contoh :
Untuk melepaskan elektron dari permukaan logam biasanya diperlukan separu dari energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari atom bebas logam yang bersangkutan. Misal energi ionisasi logam Caesium adalah 3,9 eV memiliki frekuensi kerja 7,5 x 1014 Hz yang bersesuaian dengan energi kuantum (Planck) sebesar 1,7 hingga 3,3 eV. Separuh nilai Energi Ionisasi logam Caesium adalah 1,95 eV. Maka fungsi kerja logam ini sebesar 1,95 eV.

Tabel Fungsi kerja Logam :

Logam Simbol Fungsi Kerja (eV) Logam Simbol Fungsi Kerja (eV)
Cesium Cs 1,9 Kalsium Ca 3,2
Kalium K 2,2 Tembaga Cu 4,5
Natrium Na 2,3 Perak Ag 4,7
Lithium Li 2,5 Platina Pt 5,6

Emisi Termionik Einstein

Benda panas menambah konduktivitas listrik udara yang ada di sekelilingnya. Pada awal abad ke sembilanbelas sudah diketahui bahwa gejala tersebut adalah pancaran elektron dari benda panas yang disebut Emisi Termionik. Emisi termionik memungkinkan bekerjanya tabung layar televisi (tabung sinar katode) yang di dalamnya terdapat kawat pijar filamen atau katode berlapis khusus yang pada tempeatur tinggi dapat menghasilkan arus elektron yang rapat.

Elektron yang terpancar seperti foton harus mendapat asupan atau provokasi dari agitasi termal partikel pada logam, elektron harus mendapat energi minimum agar dapat lepas dari logam dan selanjutnya elektron dikendalikan menuju logam lain sebagai tempatnya bertumbukan dan menghasilkan energi lain atau kejadian lain. Energi minimum ini ditentukan pada berbagai permukaan logam dan memenuhi teori fungsi kerja fotolistrik pada permukaan yang sama. Pancaran fotolistrik memastikan bahwa foton cahaya menyediakan energi yang memadai untuk elektron pada logam agar bisa melepaskan diri sementara pada pancaran termionik kalor yang paling berperan memberikan kontribusi energi minimum agar elektron logam dapat terlepas (bukan cahaya).

http://www.smakhzmusthafa.sch.id/wp-content/uploads/2011/08/cathode-ray-tube-TV.jpg

disadur dari Buku Konsep Fisika Modern, Edisi Ke-4, Arthur Beiser (terjemahan The Houw Liong), Penerbit Erlangga, Jakarta, 1990

#benda-hitam, #efek-fotolistrik, #emisi-termionik, #fisika-12, #fisika-sma-kelas-12, #fotolistrik, #kalteng, #palanga, #palangkaraya, #pancaran-radiasi, #rudyhilkya, #sma, #smada