Efek Fotolistrik dan Penerapannya

 
Pengertian Efek Fotolistrik

Pada tahun 1905, Einstein menggunakan gagasan Planck tentang kuantisasi energi untuk menjelaskan efek fotolistrik. Efek fotolistrik ditemukan oleh Hertz pada tahun 1887 dan telah dikaji oleh Lenard pada tahun 1900.
Gambar 1. menunjukkan diagram sketsa alat dasarnya. Apabila cahaya datang pada permukaan logam katoda C yang bersih, elektron akan dipancarkan. Jika elektron menumbuk anoda A, terdapat arus dalam rangkaian luarnya. Jumlah elektron yang dipancarkan yang dapat mencapai elektroda dapat ditingkatkan atau diturunkan dengan membuat anoda positif atau negatif terhadap katodanya. Apabila V positif, elektron ditarik ke anoda.

Gambar 1. Sketsa alat untuk mengkaji efek elektromagnetik.

Apabila V negatif, elektron ditolak dari anoda. Hanya elektron dengan energi kinetik ½ mv² yang lebih besar dari eV kemudian dapat mencapai anoda. Potensial V₀ disebut potensial penghenti. Potensial ini dihubungkan dengan energi kinetik maksimum elektron yang dipancarkan oleh:

(½ mv²)_maks = e.V₀ .................................................... (1)

Percobaan yang lebih teliti dilakukan oleh Milikan pada tahun 1923 dengan menggunakan sel fotolistrik. Keping katoda dalam tabung ruang hampa dihubungkan dengan sumber tegangan searah. Kemudian, pada katoda dikenai cahaya berfrekuensi tinggi. Maka akan tampak adanya arus listrik yang mengalir karena elektron dari katoda menuju anoda. Setelah katoda disinari berkas cahaya, galvanometer ternyata menyimpang. Hal ini menunjukkan bahwa ada arus listrik yang mengalir dalam rangkaian.

Gambar 2. Efek fotolistrik.

Einstein telah menjelaskan bahwa untuk mengeluarkan elektron dari permukaan logam dibutuhkan energi ambang. Jika radiasi elektromagnet yang terdiri atas foton mempunyai enegi yang lebih besar dibandingkan energi ambang, maka elektron akan lepas dari permukaan logam.

Akibatnya energi kinetik maksimum dari elektron dapat ditentukan dengan persamaan:

Ek = h.f – h. f₀ ................................................... (2)

dengan:

f, f₀ = frekuensi cahaya dan frekuensi ambang (Hz)

h = konstanta Planck (6,63 × 10^-34 Js)

Ek = energi kinetik maksimum elektron ( J)

Contoh Soal 1 :

Frekuensi ambang suatu logam sebesar 8,0 × 10¹⁴ Hz dan logam tersebut disinari dengan cahaya yang memiliki frekuensi 10¹⁵ Hz. Jika tetapan Planck 6,6 × 10¹⁴ Js, tentukan energi kinetik elekton yang terlepas dari permukaan logam tersebut!

Penyelesaian:

Diketahui: 

f₀ = 8,0 × 10¹⁴ Hz

f = 10¹⁵ Hz

h = 6,6 × 10^-34 Js

Ditanya: Ek = ...?

Pembahasan :

Ek = h.f – h.f₀

Ek = 6,6 × 10^-34 (10¹⁴ – (8,0 × 10¹⁴))

Ek = 1,32 × 10^-19 J

Penerapan Efek Fotolistrik pada Sel Surya

Gambar 3. Panel Sel Suya. (Foto : inhabitat.com)

Sel surya atau sel fotovoltaik adalah memanfaatkan efek fotolistrik untuk membangkitkan arus listrik dari cahaya matahari. Efek fotolistrik muncul ketika cahaya tampak atau radiasi ultraviolet jatuh ke permukaan benda tertentu. Cahaya atau radiasi mendorong elektron keluar dari benda tersebut, yang jumlahnya dapat diukur dengan meteran listrik. 

Keunikan efek fotolistrik adalah ia hanya muncul ketika cahaya yang menerpa memiliki frekuensi di atas nilai ambang tertentu. Di bawah nilai ambang tersebut, tidak ada elektron yang terpancar keluar, tidak peduli seberapa banyak cahaya yang menerpa benda. Frekuensi minimum yang kemunculan efek fotolistrik tergantung pada jenis bahan yang disinari.