MAKALAH KIMIA FISIKA LANJUT

SPEKTRUM ATOM, RADIASI BENDA

HITAM, DAN EFEK FOTOLISTRIK

DISUSUN OLEH :

YOHAN AJI PRATAMA

8156142031

B II

PROGRAM STUDI MAGISTER PENDIDIKAN KIMIA

PROGRAM PASCA SARJANA

UNIVERSITAS NEGERI MEDAN

2016

BAB ISPEKTRUM ATOM

1.1 Spektrum AtomikKetika gas atomik atau uap atomic yang bertekanan rendah diberikan beda potensial, maka

atom gas tersebut akan tereksitasi dan akan memancarkan spectrum yang berisi panjang-panjang gelombang tertentu saja. Spektrum garis yang dipancarkan setiap unsur berbeda-beda, sehingga masing-masing unsur memiliki spectrum garis karakteristik.

Pada akhir abad kesembilanbelas ditemukan bahwa panjang gelombang yang terdapat pada spectrum atomic jatuh pada kumpulan tertentu yang disebut deret spectral. Deret spectral pertama didapatkan oleh J.J. Balmer pada tahun 1885 ketika ia mempelajari bagian tampak dari spectrum Hidrogen.

Balmer melakukan eksperimen untuk mengukur spectrum yang dipancarkan gas Hidroen dengan menempatkan gas Hidrogen dalam tabung yang sudah dilengkapi dengan elektroda, (disebut lampu Balmer). Elektroda lampu balmer  disambungkan ke sumber tegangan DC, dan mengakibatkan lampu balmer menyala dengan warna cahaya berwarna pink. Spektrum dari lampu balmer itu kemudian diamati dengan menggunakan spectrometer dan tampak berupa spectrum garis. Fakta eksperimen tersebut bertentangan dengan model atom Rutherford, yaitu bahwa spectrum atom kontinyu. Hal inilah yang menjadi kelemahan dari model atom Rutherford. Baik Rutherford maupun Balmer tidak bias menjelaskan secara teoritis mengapa spectrum atom itu berupa spectrum garis atau spekrum diskrit.

Niels Bohr berusaha menjelaskan secara teoretis fakta eksperimen yang diperoleh oleh balmer dan kawan-kawan. Penjelasanya dinyatakan dalam bentuk postulat. Pada tahun 1913 Neils Bohr mengajukan postulat tentang atom hidrogen sebagai berikut :1. Postulat 1

Elektron-elektron yang mengelilingi inti mempunyai lintasan tertentu yang disebut lintasan stasioner, dan tidak memancarkan energi. Dalam gerakannya elektron mempunyai momentum angular sebesar,

2. Postulat 2- Dalam tiap lintasannya elektron mempunyai tingkat energi tertentu (makin dekat dengan

inti tingkat energinya makin kecil dan tingkat energi paling kecil n = 1).- Bila elektron pindah dari kulit luar ke dalam maka akan memancarkan energi berupa

foton. Sebaliknya bila pindah dari kulit dalam keluar akan menyerap energi. Namun demikian model atom Bohr masih mempunyai beberapa kelemahan, yaitu :1) Model atom Bohr hanya dapat menjelaskan atom hidrogen, sedangkan untuk atom

berelektron banyak tidak dapat dijelaskan. 2) Lintasan elektron sebenarnya tidak sesederhana seperti yang diajukan Bohr (lintasan

lingkaran), tetapi juga ellips (menurut Sommerfeld).3) Tidak dapat menerangkan garis-garis halus pada spektrum yang semula diketahui

hanya satu garis saja.4) Teori atom Bohr tidak dapat menjelaskan kejadian-kejadian dalam ikatan kimia dan

tidak dapat menjelaskan pengaruh medan magnet terhadap spektrum atom.

Model atom Bohr untuk atom hidrogen diperlihatkan seperti gambar di bawah ini :

Model atom Bohr

Kita dapat menghitung radius orbit dan energi total sistem sebagai berikut :Gaya tarik menarik antara elektron dan inti (gaya coulomb) besarnya sama dengan gaya sentripetal :

Berdasarkan postulat dua Neils Bohr :

…………………..…….…………(2)

dengan n adalah bilangan kuantum utama : 1, 2, 3, …Maka dari kedua persamaan tersebut dapat diperoleh radius orbit elektron sebagai berikut :

 ………………………………… (3)dan kecepatan elektron mengelilingi inti :

.………………………………. (4)Dengan mengetahui r dan V maka energi total sistem diperoleh sebagai berikut :

Persamaan (5) tersebut secara langsung menunjukkan besar energi sistem keadaan stasioner yang diperbolehkan. Tingkat-tingkat energi atom hidrogen ditunjukkan oleh gambar dibawah ini :

Gambar di atas menunjukkan transisi antara tingkatan-tingkatan energi atom hidrogen. Garis-garis yang diamati pada spektrum berhubungan dengan transisi antara tingkat-tingkat energi tersebut. Seperti terlihat pada gambar, dengan panah-panah menjukkan semua kemungkinan transisi.

Menurut Balmer bahwa panjang gelombang garis- garis yang dihasilkan spektrum Hidrogen yang terletak di daerah cahaya meliputi :1. Deret Lyman ( deret ultra ungu )

; n = 2, 3, 4, 5, …

2. Deret Balmer ( deret cahaya tampak )

; n = 3, 4, 5, 6, …

3. Deret Paschen ( deret infra merah I )

; n = 4, 5, 6, 7, …

4. Deret Bracket ( deret infra merah II )

; n = 5, 6, 7, …

5. Deret Pfund ( deret infra merah III )

; n = 6, 7, …

Keterangan : λ : panjang gelombang ( m )R : tetapan Rydberg ( 1,097.107/m )nA : lintasan kulit dalamnB : lintasan kulit yang lebih luar

Energi suatu garis-garis diberikan oleh :

……………………………………… (6)dimana subskrip i dan f  masing-masing menyatakan keadaan awal dan akhir. Berdasarkan postulat Neils Bohr ke empat yang menyatakan bahwa :

                     ……………..................………………………… (7)dan hubungan antara panjang gelombang dan frekuensi dinyatakan dengan :

                          ………………….............………………… (8)maka dari persamaan (6), (7) dan (8) diperoleh :

   ……………….................……………………. (9)dengan R menyatakan konstanta Rydberg = 1,097.107 m-1.

Bila nf = 1 dan ni ≥ 2 maka seluruh garis-garis jatuh di depan cahaya tampak membentuk deret yang dinamakan deret Lyman. Bila nf = 2 dan ni ≥ 3 maka seluruh garis-garis jatuh di daerah cahaya tampak membentuk deret yang dinamakan deret Balmer seperti gambar (1). Garis dengan panjang gelombang terbesar terletak di daerah merah, disebut Hα yang bersesuaian dengan ni = 3. Selanjutnya Hβ bersesuaian dengan ni = 4 dan Hγ  bersesuaian dengan ni = 5 masing-masing terletak di daerah biru dan hijau, demikian seterusnya dan yang terkecil adalah H yang terletak di daerah ultra ungu.

1.2 Menentukan Konstanta RydbergPengukuran panjang gelombang yang dipancarkan oleh atom hidrogen tereksitasi didasarkan

pada prinsip interferensi dengan menggunakan kisi-kisi. Interferensi konstruktif terjadi bila beda lintasan merupakan kelipatan dari panjang gelombangnya.

dengan n adalah orde difraksi = 1, 2, 3, …Lebar kisi dapat dihitung berdasarkan kisi difraksi (copy of Rawland Grating) yang digunakan. Dari Persamaan (9) untuk deret balmer nf = 2

……………………………… (10)berdasarkan least square :

dimana i = 3, 4, 5, ……….

BAB IIRADIASI BENDA HITAM

2.1 PENGERTIAN RADIASIRadiasi adalah proses perpindahan panas melalui gelombang electromagnet atau paket-paket

energi (foton) yang dapat merambat sampai jarak yang sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium. Radiasi bergerak diruang sebagai garis atau berkas cahaya dan hanya benda-benda yang dapat terlihat oleh benda yang melakukan radiasi itu saja yang dapat menangkap radiasi benda itu. Dalam kenyataan radiasi yang dipantulkan akan menimpa benda-benda lain yang menyerap dan akhirnya akan dikonversikan menjadi kalor, setelah beberapa pemantulan.

Benda-benda yang terkena radiasi, meradiasi energi yang energinya terdiri atas foton-foton yang bergerak dengan arah, fasa, dan frekuensi yang acak. Foton-foton tersebut ada yang diserap, direfleksi atau diteruskan melalui permukaan tersebut.

Radiasi biasanya digolongkan menurut panjang gelombang yang menjadi cirinya. Elektromagnetik mencakup banyak radiasi, dari sinar gamma dan sinar X yang berpanjang gelombang pendek sampai gelombang radio yang panjang gelombangnya panjang. Radiasi termal didefinisikan sebagai energi radiasi yang di pancarkan oleh suatu zat antara berdasar atas suhunya dengan kata lain pancaran radiasi termal diatur oleh suhu benda pemancarnya. Pada radiasi termal proses perpindahan panas melalui paket-paket energi yang disebut foton (kuantum), menurut Planck setiap kuantum mengandung energi sebesar

Setiap kuantum adalah suatu partikel yang mempunyai energi, masa dan momentum. Hubungan masa dan energi dari partikel dikaitkan dengan persamaan

Laju energi yang dipindahkan tergantung kepada beberapa faktor:1. Temperatur (permukaan yang memancarkan dan yang menerima radiasi)2. Emisivitas (permukaan yang teradiasi)3. Refleksi, absorpsi, dan transmisi faktor pandang antara permukaan yang mengemisi dan

yang menerima radiasi (sudut pandang antara manusia terhadap sumber radiasi)

2.2 DAYA EMISISetiap medium secara berkelanjutan akan menghasilkan radiasi electromagnet secara acak ke

seluruh arah. Benda yang mempunyai permukaan kasar akan mempunyai sifat refleksi rendah, serta emisivitas dan absorpsi tinggi. Hal ini berlaku sebaliknya untuk permukaan licin dan dipoles.

Fluks kalor radiasi yang dihasilkan permukaan sebuah benda disebut sebagai daya emisi E. Secara lengkap total daya emisi hemispherical dnapat didefinisikan sebagai berikut : Laju dimana radiasi yang dihasilkan per satuan luas pada semua panjang gelombang yang mungkin dan pada semua arah yang mungkin.

2.3 BENDA HITAMBenda hitam didefinisikan sebagai sebuah benda yang menyerap semua radiasi yang datang

padanya. Dengan kata lain, tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam. Jadi, benda hitam mempunyai harga absorptansi dan emisivitas yang besarnya sama dengan satu.

Seperti yang telah kalian ketahui, bahwa emisivitas (daya pancar) merupakan arakteristik suatu materi, yang menunjukkan perbandingan daya yang dipancarkan per satuan luas oleh suatu permukaan terhadap daya yang dipancarkan benda hitam pada temperatur yang sama. Sementara itu, absorptansi (daya serap) merupakan perbandingan fluks pancaran atau fluks cahaya yang diserap oleh suatu benda terhadap fluks yang tiba pada benda itu.

Benda hitam ideal digambarkan oleh suatu rongga hitam dengan lubang kecil. Sekali suatu cahaya memasuki rongga itu melalui lubang tersebut, berkas itu akan dipantulkan berkali-kali di dalam rongga tanpa sempat keluar lagi dari lubang tadi. Setiap kali dipantulkan, sinar akan diserap dinding-dinding berwarna hitam. Benda hitam akan menyerap cahaya sekitarnya jika suhunya lebih rendah daripada suhu sekitarnya dan akan memancarkan cahaya ke sekitarnya jika suhunya lebih tinggi daripada suhu sekitarnya. Hal ini ditunjukkan pada gambar dibawah. Benda hitam yang dipanasi sampai suhu yang cukup tinggi akan tampak membara.

Gambar 1.1 Benda hitam yang dipanasi sampai suhu yang cukup tinggi akan tampak membara.

2.4 RADIASI BENDA HITAMRadiasi benda hitam adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh sebuah benda

hitam. Radiasi ini menjangkau seluruh daerah panjang gelombang. Distribusi energi pada daerah panjang gelombang ini memiliki ciri khusus, yaitu suatu nilai maksimum pada panjang gelombang tertentu. Letak nilai maksimum tergantung pada temperatur, yang akan bergeser ke arah panjang gelombang pendek seiring dengan meningkatnya temperatur.

1. Hukum Stefan-BoltzmannPada tahun 1879 seorang ahli fisika dari Austria, Josef Stefan melakukan

eksperimen untuk mengetahui karakter universal dari radiasi benda hitam. Ia menemukan bahwa daya total per satuan luas yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda hitam panas (intensitas total) adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Sehingga dapat dirumuskan :

(1)

denganI = intensitas radiasi pada permukaan benda hitam pada semua frekuensi

T = suhu mutlak benda (K)σ = tetapan Stefan-Boltzman, yang bernilai 5,67 × 10-8 Wm-2K-4.

Total energi tiap satuan volume suatu lingkungan tertutup dengan temperatur tetap diperoleh dengan melakukan integrasi

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Hukum Stefan Boltzman dalam persamaan (5) menggambarkan bagaimana kalor dirambatkan secara radiatif tanpa penghantar medium, sebagaimana medium diperlakukan pada peristiwa konduksi atau konveksi.

Gambar 2.1 Grafik antara intensitas radiasi yang dipancarkan oleh suatu benda hitam terhadap panjang gelombang pada berbagai suhu.

Total energi kalor radiasi yang dipancarkan adalah sebanding dengan luas di bawah grafik. Tampak bahwa total energi kalor radiasi radiasi meningkat dengan meningkatnya suhu ( menurut Hukum Stefan- Bolztman). Energi kalor sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak.

Untuk kasus benda panas yang bukan benda hitam, akan memenuhi hukum yang sama, hanya diberi tambahan koefisien emisivitas yang lebih kecil daripada 1, sehingga :

(7)

Intensitas merupakan daya per satuan luas, maka persamaan diatas dapat ditulis sebagai:

(8)

dengan:P = daya radiasi (W)A = luas permukaan benda (m2)e = koefisien emisivitasT = suhu mutlak (K)

Beberapa tahun kemudian, berdasarkan teori gelombang elektromagnetik cahaya, Ludwig Boltzmann (1844 – 1906) secara teoritis menurunkan hukum yang diungkapkan oleh Joseph Stefan (1853 – 1893) dari gabungan termodinamika dan persamaan-persamaan Maxwell. Oleh karena itu, persamaan diatas dikenal juga sebagai Hukum Stefan-Boltzmann, yang berbunyi:“Jumlah energi yang dipancarkan per satuan permukaan sebuah benda hitam dalam satuan waktu akan berbanding lurus dengan pangkat empat temperatur termodinamikanya”.

2. Hukum Pergeseran WienSpektrum radiasi benda hitam di selidiki oleh Wien, menurut Wien, jika dipanaskan

terus, benda hitam akan memancarkan radiasi kalor yang puncak spektrumnya memberikan warna-warna tertentu. Warna spektrum bergantung pada panjang gelombangnya, dan panjang gelombang ini akan bergeser sesuai suhu benda.

Jika suatu benda dipanaskan maka benda akan memancarkan radiasi kalor, pada suhu rendah radiasi gelombang elektromagnet yang dipancarkan intensitasnya rendah, pada suhu yang lebih tinggi dipancarkan sinar inframerah walaupun tidak terlihat tetapi dapat kita rasakan panasnya, pada suhu lebih tingi lagi benda mulai berpijar merah ( ± 10000 C ), dan berwarna kuning keputih-putihan pada suhu ± 20000 C.

Wien merumuskan bahwa panjang gelombang pada puncak spektrum ( λm ) berbanding terbalik dengan suhu mutlak benda, sesuai persamaan :

(9)

dimana : λm = panjang gelombang pada energi pancar maksimum ( m)T = suhu dalam KC = tetepan pergeseran Wien 2,898 x 10-3 m. K

Gambar 1.2 Kurva kenaikan temperature benda hitam

Dari kurva di atas, terbaca bahwa dengan naiknya temperatur benda hitam, puncak-puncak spektrum akan bergeser ke arah panjang gelombang yang semakin kecil (gambar a) atau puncak-puncak spektrum akan bergeser ke arah frekuensi yang semakin besar (gambar b).

Perhitungan energi radiasi Wien berlaku untuk gelombang pendek. Teori ini selanjutnya dikembangkan oleh Reyleigh dan Jeans yang berlaku untuk panjang gelombang yang lebih panjang. Menurut teori medan listrik-magnet, gelombang elektromagnet di emisikan oleh osilator muatan-muatan listrik. Bilamana osilaator-osilator dalam kesetimbangan dengan radiasi dalam benda hitam, maka rapat energi radiasi persatuan volume adalah :

(10)

dimana, = energi rata-rata osilator dengan frekuensi

Hukum energi ekipartisi adalah energi rata-rata itu adalah = dimana

= 1,3806 x 10-23 J/K adalah konstanta Boltzmann. Dengan c

(11)

Rumus Planck

(12)

Berdasarkan polinomial Taylor

(13)

Sehingga apabila dimasukkan kepersamaan, menjadi :

(14)

(15)

(16)

Namun, perhitungan pada panjang gelombang ultraviolet dimana energi radiasi oleh Reyleigh dan Jeans tidak mampu menjelaskan terjadinya Bencana Ultraviolet, yaitu kesalahan perhitungan pada panjang gelombang ultraviolet dimana energi radiasi mencapai nilai tak terhingga.

Teori Wien cocok dengan spektrum radiasi benda hitam untuk panjang gelombang yang pendek, dan menyimpang untuk panjang gelombang yang panjang. Teori Rayleigh-Jeans cocok dengan spektrum radiasi benda hitam untuk panjang gelombang yang panjang, dan menyimpang untuk panjang gelombang yang pendek.

Teori elektromagnetik klasik maupun mekanika statistik tidak dapat menjelaskan spektrum yang teramati pada radiasi benda hitam. Teori tersebut hanya dapat memprediksi intensitas yang tinggi dari panjang gelombang rendah atau dikenal sebagai bencana ultraungu. Namun kemudian, Max Planck berhasil memecahkan masalah ini.

3. TEORI MAX PLANCKMax Planck menjelaskan bahwa radiasi elektromagnetik hanya dapat merambat

dalam bentuk paket-paket energi atau kuanta yang dinamakan foton. Gagasan Planck ini kemudian berkembang menjadi teori baru dalam fisika yang disebut Teori Kuantum.

Pada tahun 1900, Planck memulai pekerjaannya dengan membuat suatu anggapan baru tentang sifat dasar dari getaran molekul-molekul. Dalam dinding-dinding rongga benda hitam (pada saat itu elektron belum ditemukan). Anggapan baru ini sangat radikal dan bertentangan dengan fisika klasik, yaitu sebagai berikut:

1. Radiasi yang dipancarkan oleh getaran molekul-molekul tidaklah kontinu tetapi dalam paket-paket energi diskret, yang disebut kuantum (sekarang disebut foton). Besar energi yang berkaitan dengan tiap foton adalah

(17)

sehingga untuk n buah foton maka energinya dinyatakan oleh

(18)

Dengan n = 1, 2, 3, ... (bilangan asli), v adalah frekuensi getaran molekul-molekul. Energi dari molekul-molekul dikatakan terkuantisasi dan energi yang diperkenankan disebut tingkat energi. Ini berarti bahwa tingkat energi bisa hv, 2hv, 3hv, ... sedang h disebut tetapan Planck, dengan h = 6,6 × 10-34 J s (dalam 2 angka penting)

2. Molekul-molekul memancarkan atau menyerap energi dalam satuan diskret dari energi cahaya, disebut kuantum (sekarang disebut foton). Molekul-molekul melakukan itu dengan “melompat” dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya. Jika bilangan kuantum n berubah dengan satu satuan, persamaan menunjukkan bahwa jumlah energi yang dipancarkan atau diserap oleh molekul-molekul sama dengan hv. Jadi, beda energi antara dua tingkat energi yang berdekatan adalah hv. Molekul akan memancarkan atau menyerap energi hanya

ketika molekul mengubah tingkat energinya. Jika molekul tetap tinggal dalam satu tingkat energi tertentu, maka tidak ada energi yang diserap atau dipancarkan molekul. Berdasarkan teori kuantum di atas, Planck dapat menyatakan hukum radiasi Wien dan hukum radiasi Rayleigh-Jeans, dan menyatakan hukum radiasi benda hitamnya yang akan berlaku untuk semua panjang gelombang.Energi rata-rata per osilator dengan frekuensi v adalah

(18)

(19)

dengan h = 6,6 × 10-34 J s adalah tetapan Planck, c = 3,0 × 108 m/s adalah cepat rambat cahaya, kB = 1,38 × 10-23 J/K adalah tetapan Boltzman, dan T adalah suhu mutlak benda hitam

BAB III EFEK FOTOLISTRIK

3.1 PENGERTIAN EFEK FOTOLISTRIKHasil-hasil eksperimen menunjukkan, bahwa suatu jenis logam tertentu bila disinari (dikenai

radiasi) dengan frekuensi yang lebih besar dari harga tertentu akan melepaskan elektron, walaupun intensitas radiasinya sangat kecil. Sebaliknya, berapapun besar intensitas radiasi yang dikenakan pada suatu jenis logam, jika frekuensinya lebih kecil dari harga tertentu maka tidak akan dapat melepaskan elektron dari logam tersebut. Peristiwa pelepasan elektron dari logam oleh radiasi tersebut disebut efek fotolistrik, diamati pertama kali oleh Heinrich Hertz (1887). Elektron yang terlepas dari logam disebut foto-elektron.

Efek fotolistrik membutuhkan foton dengan energi dari beberapa electronvolts sampai lebih dari 1 MeV unsur yang nomor atomnya tinggi. Studi efek fotolistrik menyebabkan langkah-langkah penting dalam memahami sifat kuantum cahaya, elektron dan mempengaruhi pembentukan konsep Dualitas gelombang-partikel. fenomena di mana cahaya mempengaruhi gerakan muatan listrik termasuk efek fotokonduktif (juga dikenal sebagai fotokonduktivitas atau photoresistivity ), efek fotovoltaik, dan efek fotoelektrokimia.

Ketika seberkas cahaya dikenakan pada logam, ada elektron yang keluar dari permukaan logam. Gejala ini disebut efek fotolistrik. Efek fotolistrik diamati melalui prosedur sebagai berikut. Dua buah pelat logam (lempengan logam tipis) yang terpisah ditempatkan di dalam tabung hampa udara. Di luar tabung kedua pelat ini dihubungkan satu sama lain dengan kawat. Mula-mula tidak ada arus yang mengalir karena kedua plat terpisah. Ketika cahaya yang sesuai dikenakan kepada salah satu pelat, arus listrik terdeteksi pada kawat. Ini terjadi akibat adanya elektron-elektron yang lepas dari satu pelat dan menuju ke pelat lain secara bersama-sama membentuk arus listrik.

Cahaya dipandang sebagai kuantum energi yang hanya memiliki energi yang diskrit bukan kontinu yang dinyatakan sebagai E = hf.

Konsep penting yang dikemukakan Einstein sebagai latar belakang terjadinya efek fotolistrik adalah bahwa satu elektron menyerap satu kuantum energi. Satu kuantum energi yang diserap elektron digunakan untuk lepas dari logam dan untuk bergerak ke pelat logam yang lain. Hal ini dapat dituliskan sebagai :Energi cahaya = Energi ambang + Energi kinetik maksimum elektron

E = W0 + Ekm hf = hf0 + Ekm Ekm = hf – hf0

Persamaan ini disebut persamaan efek fotolistrik Einstein. Perlu diperhatikan bahwa W0 adalah energi ambang logam atau fungsi kerja logam, f0 adalah frekuensi ambang logam, f adalah frekuensi cahaya yang digunakan, dan Ekm adalah energi kinetik maksimum elektron yang lepas dari logam dan bergerak ke pelat logam yang lain.

a. Mekanisme EmisiFoton dari sinar memiliki energi karakteristik yang ditentukan oleh frekuensi cahaya.

Dalam proses photoemission, jika elektron dalam beberapa bahan menyerap energi dari satu foton dan dengan demikian memiliki lebih banyak energi daripada fungsi kerja (energi ikat elektron) dari materi, itu dikeluarkan. Jika energi foton terlalu rendah, elektron tidak bisa keluar dari materi. Peningkatan intensitas sinar meningkatkan jumlah foton dalam berkas cahaya, dan dengan demikian meningkatkan jumlah elektron, tetapi tidak meningkatkan

energi setiap elektron yang dimemiliki. Energi dari elektron yang dipancarkan tidak tergantung pada intensitas cahaya yang masuk, tetapi hanya pada energi atau frekuensi foton individual. Ini adalah interaksi antara foton dan elektron terluar.

Elektron dapat menyerap energi dari foton ketika disinari, tetapi mereka biasanya mengikuti prinsip "semua atau tidak" . Semua energi dari satu foton harus diserap dan digunakan untuk membebaskan satu elektron dari atom yang mengikat, atau energi dipancarkan kembali. Jika energi foton diserap, sebagian energi membebaskan elektron dari atom, dan sisanya dikontribusi untuk energi kinetik elektron sebagai partikel bebas. Tidak ada elektron yang dilepaskan oleh radiasi di bawah frekuensi ambang, karena elektron tidak mendapatkan energi yang cukup untuk mengatasi ikatan atom.

Efek fotolistrik banyak membantu penduaan gelombang-partikel, dimana sistem fisika (seperti foton dalam kasus ini) dapat menunjukkan kedua sifat dan kelakuan seperti-gelombang dan seperti-partikel, sebuah konsep yang banyak digunakan oleh pencipta mekanika kuantum. Efek fotolistrik dijelaskan secara matematis oleh Albert Einstein yang memperluas kuanta yang dikembangkan oleh Max Planck.

Hukum emisi fotolistrik:1. Untuk logam dan radiasi tertentu, jumlah fotoelektro yang dikeluarkan berbanding lurus

dengan intensitas cahaya yg digunakan.2. Untuk logam tertentu, terdapat frekuensi minimum radiasi. di bawah frekuensi ini

fotoelektron tidak bisa dipancarkan.3. Di atas frekuensi tersebut, energi kinetik yang dipancarkan fotoelektron tidak bergantung

pada intensitas cahaya, namun bergantung pada frekuensi cahaya.4. Perbedaan waktu dari radiasi dan pemancaran fotoelektron sangat kecil, kurang dari 10 -9

detik.

b. Potensial Penghenti Hubungan antara arus dan tegangan diterapkan menggambarkan sifat efek fotolistrik.

Untuk diskusi, sumber cahaya menerangi P piring, dan lain elektrode pelat Q mengumpulkan setiap elektron yang dipancarkan. Kami bervariasi potensial antara P dan Q dan mengukur arus yang mengalir dalam sirkuit eksternal antara dua lempeng. Jika frekuensi dan intensitas radiasi insiden adalah tetap, arus fotolistrik meningkat secara bertahap dengan peningkatan potensi positif sampai semua foto elektron yang dipancarkan dikumpulkan. Arus fotolistrik mencapai nilai saturasi dan tidak meningkatkan lebih lanjut untuk peningkatan potensi positif. Arus saturasi tergantung pada intensitas pencahayaan, tapi tidak panjang gelombang.

Jika kita menerapkan potensi negatif ke piring Q sehubungan dengan plat P dan secara bertahap meningkatkan itu, berkurang saat fotolistrik sampai nol, pada potensial negatif tertentu di piring Q. potensi negatif minimum yang diberikan ke piring Q di mana arus fotolistrik menjadi nol disebut potensial menghentikan atau memotong potensial. Dalam rezim sinar-X, efek fotolistrik dalam bahan kristal sering didekomposisi menjadi tiga langkah:1. Inner efek fotolistrik. Lubang tertinggal dapat menimbulkan efek auger , yang terlihat

bahkan ketika elektron tidak meninggalkan materi. Dalam padatan molekul fonon sangat antusias dalam langkah ini dan dapat terlihat sebagai garis dalam energi elektron akhir. Para photoeffect batin harus diperbolehkan. Para aturan transisi untuk atom menerjemahkan melalui model ketat mengikat ke kristal. Mereka adalah geometri untuk osilasi plasma dalam bahwa mereka harus transversal.

2. Balistik transportasi setengah dari elektron ke permukaan. Beberapa elektron tersebar. 3. Elektron melarikan diri dari bahan di permukaan.

Dalam model tiga langkah, elektron dapat mengambil beberapa jalur melalui tiga langkah. Semua jalan dapat mengganggu dalam arti formulasi jalan terpisahkan. Untuk negara permukaan dan molekul model tiga langkah apakah masih masuk akal bahkan beberapa sebagai yang paling atom memiliki elektron yang dapat menyebarkan beberapa elektron yang meninggalkan. Arus nol atau tidak ada arus berarti tidak ada lagi elektron yang lepas dari permukaan logam akibat efek fotolistrik. Nilai tegangan yang menyebabkan elektron berhenti terlepas dari permukaan logam pada efek fotolistrik disebut tegangan atau potensial penghenti (stopping potential). Jika V0adalah potensial penghenti, maka :

Ekm = eV0Persamaan ini pada dasarnya adalah persamaan energi. Perlu diperhatikan bahwa e

adalah muatan elektron yang besarnya 1,6 × 10−19 C dan tegangan dinyatakan dalam satuan volt (V).

3.2 Penemuan Hertz Gelombang MaxwellPrediksi paling dramatis teori Maxwell elektromagnetisme, diterbitkan pada tahun 1865,

adalah adanya gelombang elektromagnetik bergerak pada kecepatan cahaya, dan kesimpulan bahwa cahaya itu sendiri hanya seperti gelombang. Eksperimentalis ini ditantang untuk menghasilkan dan mendeteksi radiasi elektromagnetik menggunakan beberapa bentuk aparatus listrik. Usaha jelas pertama yang berhasil adalah dengan Heinrich Hertz pada tahun 1886. Dia menggunakan sebuah kumparan induksi tegangan tinggi menyebabkan percikan discharge antara dua lembar kuningan, mengutip dia, "Bayangkan tubuh silinder kuningan, 3 cm diameter 26 cm, ditengah sela sepanjang panjangnya oleh celah percikan yang kutub pada sisinya dibentuk oleh lingkup radius 2 cm. " Idenya adalah bahwa sekali percikan membentuk jalur melakukan antara dua konduktor kuningan, biaya dengan cepat akan berosilasi bolak-balik, memancarkan radiasi elektromagnetik dari panjang gelombang mirip dengan ukuran konduktor sendiri.

Untuk membuktikan bahwa memang ada radiasi yang dipancarkan, itu harus terdeteksi. Hertz menggunakan sepotong kawat tembaga 1 mm tebal membungkuk ke lingkaran diameter 7,5 cm, dengan lingkup kuningan kecil di salah satu ujungnya, dan ujung kawat itu menunjuk, dengan titik dekat bola. Dia menambahkan mekanisme sekrup sehingga titik bisa bergerak sangat dekat dengan lingkungan secara terkendali. Ini "penerima" dirancang sehingga arus berosilasi bolak-balik di kawat akan memiliki periode alami dekat dengan dari "pemancar" yang dijelaskan di atas. Adanya muatan berosilasi di penerima akan ditandai dengan percikan di seluruh perbedaan (kecil) antara titik dan lingkungan (biasanya, kesenjangan ini seratus milimeter). (Disarankan untuk Hertz bahwa kesenjangan ini percikan bisa diganti sebagai detektor oleh kaki seekor katak yang sesuai disiapkan, tapi itu ternyata tidak berhasil.)

Penelitian ini sangat sukses - Hertz mampu mendeteksi radiasi hingga lima belas meter jauhnya, dan dalam serangkaian percobaan cerdik ditetapkan bahwa radiasi tercermin dan membias seperti yang diharapkan, dan bahwa itu terpolarisasi. Masalah utama - faktor pembatas dalam deteksi - sedang dapat melihat percikan kecil dalam receiver. Dalam upaya untuk meningkatkan percikan Deteksi, dia datang atas sesuatu yang sangat misterius. Untuk kutipan dari Hertz lagi (dia disebut pemancar percikan A, B penerima): "Aku kadang-kadang tertutup percikan B dalam kasus gelap sehingga lebih mudah membuat pengamatan, dan dengan demikian saya mengamati bahwa percikan panjang maksimum menjadi jelas lebih kecil dalam kasus ini daripada sebelumnya. Pada menghapus berturut-turut berbagai bagian kasus, terlihat

bahwa hanya sebagian saja yang melakukan ini adalah efek merugikan yang ditayangkan percikan B dari percikan A. Partisi pada sisi yang dipamerkan efek ini, tidak hanya ketika berada di lingkungan langsung dari spark B, tetapi juga ketika sela pada jarak yang lebih besar dari B antara A dan B. fenomena A begitu luar biasa disebut untuk penyelidikan lebih dekat. "

Hertz kemudian memulai investigasi yang sangat teliti. Ia menemukan bahwa penerima percikan kecil lebih kuat jika terkena sinar ultraviolet dari pemancar percikan. Butuh waktu lama untuk mencari ini keluar - ia pertama kali diperiksa untuk beberapa jenis efek elektromagnetik, tetapi menemukan selembar kaca efektif terlindung percikan. Dia kemudian menemukan sepotong kuarsa tidak perisai percikan, dimana ia menggunakan prisma kuarsa untuk memecah cahaya dari besar percikan ke dalam komponen-komponennya, dan menemukan bahwa panjang gelombang yang membuat percikan sedikit lebih kuat berada di luar terlihat, di ultraviolet.

Pada tahun 1887 Heinrich Rudolf Hertz menemukan fenomena efek Fotolistrik yang membingungkan para Fisikawan waktu itu.

Sebuah logam ketika diberi cahaya akan melepaskan elektron, yang akan menghasilkan arus listrik jika disambung ke rangkaian tertutup. Jika cahaya adalah gelombang seperti yang telah diprediksikan oleh Fisika klasik, maka seharusnya semakin tinggi intensitas cahaya yang diberikan maka semakin besar arus yang terdeteksi. Namun hasil eksperimen menunjukkan bahwa walaupun intensitas cahaya yang diberikan maksimum, elektron tidak muncul juga dari plat logam.

Tetapi ketika diberikan cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek (frekuensi lebih tinggi, ke arah warna ungu dari spektrum cahaya) dari sebelumnya, tiba-tiba elektron lepas dari plat logam sehingga terdeteksi arus listrik, padahal intensitas yang diberikan lebih kecil dari intensitas sebelumnya. Berarti, energi yang dibutuhkan oleh plat logam untuk melepaskan elektronnya tergantung pada panjang gelombang. Fenomena ini tidak dapat dijelaskan oleh para Fisikawan pada waktu itu. Kalau cahaya itu memang benar-benar gelombang, yang memiliki sifat kontinyu, bukankah seharusnya energi yang bisa diserap darinya bisa bernilai berapa saja?

Tapi ternyata hanya jumlah energi tertentu saja yang bisa diserap untuk melepaskan elektron bebas.

3.3 Pendekatan Hallwachs 'Simpler Tahun berikutnya, 1888, fisikawan Jerman, Wilhelm Hallwachs, di Dresden, menulis:

"Dalam sebuah publikasi baru-baru ini Hertz telah dijelaskan investigasi terhadap ketergantungan panjang maksimum dari sebuah induksi percikan pada radiasi yang diterima dari induksi lain percikan. Dia membuktikan bahwa fenomena yang diamati adalah suatu tindakan dari sinar ultraviolet No cahaya lebih lanjut tentang itu. sifat fenomena bisa diperoleh, karena kondisi rumit penelitian di mana ia muncul. Saya telah berupaya untuk memperoleh fenomena terkait yang akan terjadi dalam kondisi sederhana, untuk membuat penjelasan dari fenomena lebih mudah Sukses itu. diperoleh dengan menyelidiki tindakan dari lampu listrik pada tubuh bermuatan listrik. "

Dia kemudian menjelaskan eksperimennya yang sangat sederhana: plat melingkar seng dipasang berdiri dengan isolasi serta dilengkapi dengan kawat ke electroscope daun emas, yang kemudian dibebankan negatif. electroscope yang hilang muatannya dengan sangat lambat. Namun, jika pelat seng terkena sinar ultraviolet dari lampu busur, atau dari magnesium terbakar, muatannya keluar dengan cepat. Jika piring itu bermuatan positif, tidak ada muatan yang keluar. (Kami menunjukkan ini sebagai demo kuliah, menggunakan lampu UV sebagai sumber.)

Mungkinkah cahaya ultraviolet entah bagaimana merusak sifat isolasi dari dudukan plat seng? Mungkinkah efek listrik atau magnetik dari arus besar di lampu busur entah bagaimana menyebabkan keluarnya muatan? Meskipun percobaan Hallwach sudah dapat dipastikan kebenarannya, ia tidak mengerti teori apa yang sedang terjadi.

3.4 J.J. Thomson Mengidentifikasi Partikel Pada kenyataannya, situasi masih belum jelas sampai 1899, ketika Thomson menetapkan

bahwa sinar ultraviolet menyebabkan elektron menjadi dipancarkan, partikel-partikel yang sama ditemukan dalam sinar katoda. Metodenya adalah untuk menyertakan permukaan logam yang akan terkena radiasi dalam tabung vakum, dengan kata lain untuk membuat katoda dalam sebuah tabung sinar katoda. Fitur baru adalah bahwa elektron itu harus dikeluarkan dari katoda oleh radiasi, bukan oleh medan listrik yang kuat yang digunakan sebelumnya.

Pada saat ini, ada gambar yang masuk akal tentang apa yang terjadi. Atom dalam katoda berisi elektron, yang terguncang dan bergetar disebabkan oleh medan listrik dari radiasi. Akhirnya beberapa dari mereka akan bergetar dan akan dikeluarkan dari katoda. Hal ini bermanfaat mempertimbangkan dengan hati-hati bagaimana jumlah dan kecepatan elektron yang dipancarkan akan diharapkan bervariasi dengan intensitas dan warna radiasi. Peningkatan intensitas radiasi akan mengguncang elektron lebih keras, sehingga orang akan berharap lebih

untuk menjadi dipancarkan, dan mereka akan menembak keluar dengan kecepatan yang lebih besar, rata-rata. Meningkatkan frekuensi radiasi akan mengguncang elektron lebih cepat, sehingga dapat menyebabkan elektron untuk keluar lebih cepat. Untuk lampu sangat redup, itu akan memerlukan waktu untuk elektron bekerja sampai amplitudo getaran yang cukup mengeluarkannya.

3.5 Penemuan Mengejutkan oleh LenardPada tahun 1902, Lenard mempelajari bagaimana energi foto elektron yang dipancarkan

bervariasi dengan intensitas cahaya. Dia menggunakan lampu karbon busur, dan dapat meningkatkan intensitas seribu kali lipat. Elektron dikeluarkan dari pelat logam, kolektor, yang terhubung ke katoda melalui kawat dengan ammeter sensitif, untuk mengukur arus yang dihasilkan oleh iluminasi. Untuk mengukur energi elektron dikeluarkan, Lenard dibebankan pelat kolektor negatif, untuk mencegah elektron datang ke arah itu. Jadi, elektron hanya dikeluarkan dengan energi kinetik yang cukup untuk bergerak ini adalah bukti potensial akan berkontribusi pada saat ini. Lenard menemukan bahwa ada tegangan minimum didefinisikan dengan baik yang berhenti setiap elektron mendapatkan melalui, kita akan menyebutnya Vstop. Yang mengejutkan, ia menemukan bahwa Vstop tidak tergantung sama sekali pada intensitas cahaya! Menggandakan intensitas cahaya dua kali lipat jumlah elektron yang dipancarkan, tetapi tidak mempengaruhi energi dari elektron yang dipancarkan. Bidang berosilasi lebih kuat terlontar elektron lebih, tapi energi individu maksimum elektron dikeluarkan adalah sama seperti untuk bidang lemah.

Tapi Lenard melakukan sesuatu yang lain. menggunakan lampu busur yang sangat kuat, ada intensitas yang cukup untuk memisahkan warna dan memeriksa efek fotolistrik menggunakan lampu warna yang berbeda. Dia menemukan bahwa energi maksimum dari elektron dikeluarkan tidak bergantung pada warna namun panjang gelombang pendek, cahaya dengan frekuensi yang lebih tinggi menyebabkan elektron akan dikeluarkan dengan lebih banyak energi. Hal ini, bagaimanapun, sebuah kesimpulan yang cukup kualitatif --- pengukuran energi tidak terlalu direproduksi, karena mereka sangat sensitif terhadap kondisi permukaan, di negara khususnya oksidasi parsial. Dalam vacua terbaik tersedia waktu itu, oksidasi signifikan dari permukaan segar terjadi di puluhan menit. (Rincian permukaan sangat penting karena elektron yang dipancarkan tercepat adalah mereka dengan mudah ke permukaan, dari ikatan mereka pada benda padat sangat bergantung pada sifat permukaan --- itu logam murni atau campuran logam dan atom oksigen ?

Question: In the above figure, the battery represents the potential Lenard used to charge the collector plate negatively, which would actually be a variable voltage source. Since the electrons ejected by the blue light are getting to the collector plate, evidently the potential supplied by the battery is less than Vstop for blue light. Show with an arrow on the wire the direction of the electric current in the wire.

Pertanyaan: Pada gambar di atas, baterai merupakan potensi Lenard digunakan untuk mengisi pelat kolektor negatif, yang sebenarnya akan menjadi sumber tegangan variabel. Karena elektron dikeluarkan oleh sinar biru yang sampai ke plat kolektor, jelas potensi yang disediakan oleh baterai kurang dari Vstop untuk cahaya biru. Tampilkan dengan panah pada kawat arah arus listrik dalam kawat.

3.6 Penjelasan dan Keterangan Einstein

Pada tahun 1905 Einstein memberikan penafsiran yang sangat sederhana dari hasil Lenard's. Dia hanya menduga bahwa radiasi yang masuk harus dianggap sebagai kuanta dari frekuensi hf, dengan f frekuensi. Dalam photoemission, satu kuantum tersebut diserap oleh satu elektron. Jika elektron adalah beberapa jarak menjadi bahan katoda, beberapa energi akan hilang ketika bergerak ke arah permukaan. Akan selalu ada beberapa biaya elektrostatik dengan elektron permukaan daun, ini biasanya disebut fungsi kerja, W. elektron yang paling energik yang dipancarkan akan menjadi sangat dekat dengan permukaan, dan mereka akan meninggalkan katoda dengan energi kinetik

E = hf – WPada tegangan negatif pada plat kolektor sampai arus berhenti, untuk itu Vstop, elektron

energi kinetik tertinggi harus memiliki eVstop energi ketika meninggalkan katoda. Dengan demikian,

eVstop = hf – WDengan demikian teori Einstein membuat prediksi kuantitatif yang sangat jelas: jika

frekuensi cahaya insiden yang bervariasi, dan Vstop diplot sebagai fungsi frekuensi, kemiringan garis harus h / e.

Hal ini juga jelas bahwa ada frekuensi cahaya minimum untuk suatu logam tertentu, bahwa untuk yang kuantum energi sama dengan fungsi kerja. Cahaya di bawah ini frekuensi itu, tidak peduli seberapa terang, tidak akan menyebabkan photoemission.

Dari pembahasan di atas dapat disimpulkan bahwa energi yang dibutuhkan oleh plat logam untuk melepaskan elektronnya tergantung pada panjang gelombang, dan diungkap oleh Einsten

bahwa hal ini dikarenakan ketika frekuensi cahaya yang diberikan lebih tinggi, maka walaupun terdapat hanya 1 foton saja (intensitas rendah) dengan energi yang cukup, foton tersebut mampu untuk melepaskan 1 elektron dari ikatannya. Intensitas cahaya dinaikkan berarti akan semakin banyak jumlah foton yang dilepaskan, akibatnya semakin banyak elektron yang akan lepas. Einstein menjawab teka-teki mengenai fotolistrik.

Efek fotolistrik merupakan proses perubahan sifat-sifat konduksi listrik di dalam material karena pengaruh cahaya atau gelombang elektromagnetik lain. Efek ini mengakibatkan terciptanya pasangan elektron dan hole di dalam semikonduktor, atau pancaran elektron bebas dan ion yang tertinggal di dalam metal. Fenomena pertama dikenal sebagai efek fotolistrik internal, sedangkan fenomena kedua disebut efek fotolistrik eksternal.

Einstein menyelesaikan paper yang menjelaskan efek ini pada tanggal 17 Maret 1905 dan mengirimkannya ke jurnal Annalen der Physik, persis 3 hari setelah ulang tahunnya yang ke 26. Di dalam paper tersebut Einstein untuk pertama kalinya memperkenalkan istilah kuantum (paket) cahaya. Pada pendahuluan paper ia berargumentasi bahwa proses-proses seperti radiasi benda hitam, fotoluminesens, dan produksi sinar katode, hanya dapat dijelaskan jika energi cahaya tersebut tidak terdistribusi secara kontinyu.

Ide Einstein memicu Louis de Broglie menelurkan konsep gelombang materi. Konsep ini menyatakan benda yang bergerak dapat dianggap sebagai suatu gelombang dengan panjang gelombang berbanding terbalik terhadap momentumnya. Sederhananya, ide de Broglie ini merupakan kebalikan dari ide Einstein. Kedua ide ini selanjutnya membantu melahirkan mekanika kuantum melalui persamaan Schroedinger yang menandai berakhirnya masa fisika klasik.

3.7 Aplikasi Efek Fotolistrik Apakah Anda pernah bertanya-tanya bagaimana sebuah kamera otomatis dapat mengambil

gambar yang besar tanpa mengatur? Kamera memiliki built-in light meter. Ketika cahaya datang ke light meter, menyerang sebuah benda logam yang melepaskan elektron dan menciptakan arus. Ini secara otomatis membuka dan menutup lensa untuk menyesuaikan kondisi pencahayaan tinggi dan rendah. detektor asap dan beberapa alarm pencuri juga beroperasi menggunakan prinsip dasar efek fotolistrik.

Sangat mengherankan jika kita mendengar bahwa aplikasi pertama efek fotolistrik berada dalam dunia hiburan. Dengan bantuan peralatan elektronika saat itu suara dubbing film direkam dalam bentuk sinyal optik di sepanjang pinggiran keping film. Pada saat film diputar, sinyal ini dibaca kembali melalui proses efek fotolistrik dan sinyal listriknya diperkuat dengan menggunakan amplifier tabung sehingga menghasilkan film bersuara.

Aplikasi paling populer di kalangan akademis adalah tabung foto-pengganda (photomultiplier tube). Dengan menggunakan tabung ini hampir semua spektrum radiasi elektromagnetik dapat diamati. Tabung ini memiliki efisiensi yang sangat tinggi, bahkan ia sanggup mendeteksi foton tunggal sekalipun. Dengan menggunakan tabung ini, kelompok peneliti Superkamiokande di Jepang berhasil menyelidiki massa neutrino yang akhirnya dianugrahi hadiah Nobel pada tahun 2002. Di samping itu efek fotolistrik eksternal juga dapat dimanfaatkan untuk tujuan spektroskopi melalui peralatan yang bernama photoelectron spectroscopy atau PES.

Efek fotolistrik internal memiliki aplikasi yang lebih menyentuh masyarakat. Ambil contoh foto-diode atau foto-transistor yang bermanfaat sebagai sensor cahaya berkecepatan tinggi.

Bahkan, dalam komunikasi serat optik transmisi sebesar 40 Gigabit perdetik yang setara dengan pulsa cahaya sepanjang 10 pikodetik (10-11 detik) masih dapat dibaca oleh sebuah foto-diode.

Sel surya yang sangat kita kenal manfaatnya dapat mengubah energi matahari menjadi energi listrik melalui efek fotolistrik internal. Sebuah semikonduktor yang disinari dengan cahaya tampak akan memisahkan elektron dan hole. Kelebihan elektron di satu sisi yang disertai dengan kelebihan hole di sisi lain akan menimbulkan beda potensial yang jika dialirkan menuju beban akan menghasilkan arus listrik.

Akhir-akhir ini kita dibanjiri oleh produk-produk elektronik yang dilengkapi dengan kamera CCD (charge coupled device). Sebut saja kamera pada ponsel, kamera digital dengan resolusi hingga 12 Megapiksel, atau pemindai kode-batang (barcode) yang dipakai diseluruh supermarket, kesemuanya memanfaatkan efek fotolistrik internal dalam mengubah citra yang dikehendaki menjadi data-data elektronik yang selanjutnya dapat diproses oleh komputer. Jadi, tanpa kita sadari kita telah memanfaatkan efek fotolistrik baik internal mau pun eksternal dalam kehidupan sehari-hari.