Efek Fotolistrik dan Penerapannya dalam Kehidupan Sehari-Hari

Efek Fotolistrik

Efek fotolistrik merupakan suatu fenomena terlepasnya elektron dari permukaan logam ketika logam tersebut dikenai cahaya. Elektron yang dipancarkan ini disebut dengan elektron foton (fotoelektron). Dalam studi eksperimental terhadap efek fotolistrik, kita dapat megukur laju dan energi kinetik elektron yang terpancar bergantung pada intensitas dan panjang gelombang cahaya. Percobaan efek fotolistik dilakukan dalam ruang hampa. Hal ini dimaksudkan agar elektron tidak kehilangan energinya ketika bertumbukan dengan molekul-molekul udara.

Apabila cahaya datang pada permukaan logam katoda K 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. Apabila V negatif, elektron ditolak dari anoda. Hanya elektron dengan energi kinetik ½ mv² yang lebih besar dari eV yang dapat mencapai anoda. Ketika tegangan terus diperbesar maka pembacaan arus pada galvanometer akan menurun ke nol. Tegangan ini dinamakan sebagai Potensial V₀ disebut potensial penghenti. Hal ini disebabkan karena elektron yang berenergi tinggi tidak dapat melewati potensial penghenti sehingga potensial ini dihubungkan dengan energi kinetik maksimum, sehingga:

Ek_maks = e.V₀

Adapun karakteristik dari percobaan efek fotolistrik adalah:

1. Laju pemancaran elektron bergantung pada intensitas cahaya
2. Laju pemancaran elektron tidak bergantung pada panjang gelombang dibawah suatu panjang gelombang tertentu. Nilai arus secara berangsur-angsur akan menurun hingga menjadi nol pada suatu gelombang pancung lamda_c. Panjang gelombang lamda_c­ biasanya hanya terdapat pada spektrum daerah biru dan ultraviolet
3. Nilai lamda tidak tergantung pada intensitas sumber cahaya, tetapi hanya bergantung pada jenis logam yang digunakan sebagai fotosensitif
4. Energi kinetik maksimum elektron yang dipancarkan  tidak bergantung pada intensitas cahaya, tetapi hanya bergantung pada panjang gelombangnya. Energi kinetik ini dapat diamati bertambah secara linear terhadap frekuensi sumber cahaya
5. Apabila sumber dinyalakan, arus akan segera mengalir (dalam selang waktu 10^-9

Pada percobaan efek fotolistrik ini, teori gelombang cahaya ternyata gagal menjelaskan fakta-fakta yang berkaitan dengan karakteristik percobaan efek fotolistrik. Menurut teori gelombang cahaya, sebuah atom akan menyerap energi dari gelombang elektromagnet yang sebanding dengan luasnya. Ketika laju penyerapan energinya bertambah besar, maka laju pemancaran elektronnya juga akan bertambah dan hal ini berlaku untuk semua panjang gelombang. Sehingga bertentangan dengan karakteristik atau fakta mengenai efek fotolistrik.

Setelah teori gelombang cahaya gagal menjelaskan mengenai teori efek fotolistrik, barulah muncul teori efek fotolistrik yang dikemukakan Einsten. Teori Einsten didasarkan atas gagasan Planck tentang kuantum energi. Einsten menganggap bahwa kuantum energi bukanlah sifat dari atom-atom dinding rongga radiator, melainkan merupakan sifat radiasi itu sendiri. Enegi radiasi elektromagnetik bukan diserap dalam bentuk aliran kontinu gelombang, melainkan dalam bentuk kuanta yang disebut foton. Sehingga sebuah foton adalah satu kuantum energi elektromagnetik yang diserap atau dipancarkan. Setiap foton memiliki frekuensi f dan memiliki energi: E = h.f

Einstein juga 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

dengan:

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

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

Ek  = energi kinetik maksimum elektron ( J)

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 dari katoda menuju anoda. Setelah katoda disinari berkas cahaya, galvanometer ternyata menyimpang. Hal ini menunjukkan bahwa ada arus listrik yang mengalir dalam rangkaian.

Penerapan Efek Fotolistrik dalam Kehidupan Sehari-Hari

Salah satu penerapan efek fotolistrik dalam kehidupan adalah 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.

Gambar: Dubbing-Film

  Aplikasi lain adalah pada 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 (PES).

Gambar: Photomultiplier Tube

 Contoh lain adalah penerapannya dalam foto-diode atau foto-transistor yang bermanfaat sebagai sensor cahaya berkecepatan tinggi. Bahkan, dalam komunikasi serat optik transmisi sebesar 40 Gigabite perdetik yang setara dengan pulsa cahaya sepanjang 10 pikodetik (10^-11 detik) masih dapat dibaca oleh sebuah foto-diode. Foto-transistor 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.

Gambar: Diode Laser Photo

 Selain itu, efek fotolistrik juga digunakan dalam 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.

Gambar: CCD