Aplikasi Efek fotolistrik, proses, hukum

Efek fotoelektrik

Ketika logam terkena cahaya, efek fotolistrik terjadi, di mana logam memancarkan elektron dari kulit valensinya. Elektron yang dipancarkan dikenal sebagai fotoelektron, dan fenomena ini umumnya dikenal sebagai fotoemisi.

Wilhelm Ludwig Franz Hallwachs adalah orang pertama yang memperhatikan efek fotolistrik, yang kemudian dikonfirmasi oleh Heinrich Rudolf Hertz. Fenomena ini, serta sifat kuantum cahaya, dijelaskan oleh Einstein. Pada tahun 1921, Einstein dianugerahi Hadiah Nobel Fisika untuk karyanya tentang Efek Fotolistrik.

Foton yang menumbuk permukaan logam harus memiliki energi yang cukup untuk mengatasi gaya tarik yang mengikat elektron ke inti agar efek fotolistrik dapat terjadi. Energi ambang (diwakili oleh simbol Φ) adalah jumlah energi terkecil yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari logam.

Frekuensi foton harus identik dengan frekuensi ambang agar memiliki energi yang sama dengan energi ambang (yang merupakan frekuensi minimum cahaya yang diperlukan agar efek fotolistrik terjadi).

Panjang gelombang yang sesuai (disebut panjang gelombang ambang) umumnya dilambangkan dengan tanda λ _th , dan frekuensi ambang biasanya dilambangkan dengan simbol ν _th . Berikut ini adalah hubungan antara energi ambang dan frekuensi ambang.

Φ = hν _th = hc / λ _th

Hubungan antara Frekuensi Insiden Foton dan Energi Kinetik Fotoelektron yang Dipancarkan

E _foton = Φ + E _elektron

hν = hν _th + 1/2 m _e v ²

di mana,

• _Foton E menandakan energi foton datang, yang sama dengan hν.
• Φ menandakan energi ambang permukaan logam, yang sama dengan hν _th .
• E _elektron adalah energi kinetik fotoelektron, yaitu 1/2mev ² (m _e = massa elektron = 9,1 x 10 ^-31 kg).

Tidak akan ada emisi fotoelektron jika energi foton kurang dari energi ambang batas (karena gaya tarik menarik antara inti dan elektron tidak dapat diatasi). Akibatnya, jika ν < ν _th , efek fotolistrik tidak akan terjadi. Akan ada pancaran fotoelektron jika frekuensi foton sama persis dengan frekuensi ambang (ν=ν _th ), tetapi energi kinetiknya akan nol.

Kondisi Minimum untuk Efek Fotolistrik

• Threshold Frequency (γ _th ): Frekuensi ambang untuk logam adalah frekuensi terendah dari cahaya atau radiasi yang datang yang akan menghasilkan efek fotolistrik, yaitu pelepasan fotoelektron dari permukaan logam. Itu konstan untuk satu logam, tetapi berbagai logam mungkin memiliki nilai yang berbeda-beda.

Jika γ = frekuensi foton datang dan γth = frekuensi ambang, maka,

1. Jika γ < γ _th , tidak akan ada ejeksi fotoelektron dan, akibatnya, tidak ada efek fotolistrik.
2. Jika γ=γ _th , fotoelektron dikeluarkan begitu saja dari permukaan logam, dan energi kinetik elektron adalah nol.
3. Jika γ>γ _th , fotoelektron, dan energi kinetik akan dikeluarkan dari permukaan.

• Ambang Panjang Gelombang (λ _th ): Permukaan logam dengan panjang gelombang terbesar untuk cahaya datang dikenal sebagai panjang gelombang ambang selama emisi elektron.

λ _th = c/γ _th

Untuk λ = panjang gelombang foton yang datang, maka

1. Jika λ<λ _th , efek fotolistrik akan terjadi, dan elektron yang dikeluarkan akan memiliki energi kinetik.
2. Jika λ= λ _th , efek fotolistrik akan menjadi satu-satunya yang terjadi, dan energi kinetik dari fotoelektron yang dikeluarkan akan menjadi nol.
3. Tidak akan ada efek fotolistrik jika λ>λ _th .

• Fungsi Kerja atau Energi Ambang (Φ): Fungsi kerja/energi ambang adalah jumlah minimum kerja termodinamika yang diperlukan untuk memindahkan sebuah elektron dari sebuah konduktor ke lokasi di ruang hampa tepat di luar permukaan konduktor.

Φ = hγ _th = hc/λ _th

Jika E = energi foton datang, maka

1. Jika E<Φ, tidak akan ada efek fotolistrik.
2. Jika E =Φ, hanya efek fotolistrik yang terjadi, tetapi energi kinetik fotoelektron yang dikeluarkan adalah 0.
3. Jika E > fotoelektron, fotoelektron akan menjadi nol.
4. Jika E >Φ, efek fotolistrik akan terjadi, demikian pula elektron yang terlempar memiliki energi kinetik.

Prinsip Efek Fotolistrik: Permukaan logam diiradiasi dengan cahaya dalam efek fotolistrik, dan ketika cahaya jatuh pada permukaan logam, terjadi emisi foto, dan fotoelektron dikeluarkan dari permukaan logam. Energi foton gelombang ditransmisikan ke elektron atom logam, yang menyebabkan elektron tereksitasi dan dikeluarkan dengan kecepatan tertentu.

Pengertian:

Efek fotolistrik adalah emisi elektron oleh suatu bahan ketika dihantam oleh radiasi elektromagnetik (cahaya tampak atau ultraviolet, secara umum). Jenis interaksi lain antara cahaya dan materi kadang-kadang termasuk dalam istilah:

• Fotokonduktivitas: Ini adalah peningkatan konduktivitas listrik materi atau dioda yang disebabkan oleh cahaya. Ditemukan oleh Willoughby Smith dalam selenium sekitar pertengahan abad ke-19.
• Efek fotovoltaik: Transformasi sebagian energi cahaya menjadi energi listrik. Sel surya pertama diproduksi oleh Charles Fritts pada tahun 1884. Sel ini terbuat dari selenium yang dilapisi dengan lapisan tipis emas.

Efek fotolistrik ditemukan dan dijelaskan oleh Heinrich Hertz, pada tahun 1887, ketika mengamati bahwa busur yang melompat antara dua elektroda yang terhubung ke tegangan tinggi mencapai jarak yang lebih jauh ketika diterangi dengan cahaya ultraviolet daripada ketika dibiarkan dalam kegelapan.

Penjelasan teoritis dibuat oleh Albert Einstein, yang menerbitkan pada tahun 1905 artikel Heuristic revolusioner tentang generasi dan konversi cahaya, mendasarkan formulasi fotoelektriknya pada perluasan karya Max Planck tentang kuanta.

Kemudian Robert Andrews Millikan menghabiskan sepuluh tahun bereksperimen untuk membuktikan bahwa teori Einstein tidak benar, untuk akhirnya menyimpulkan bahwa itu benar. Itu memungkinkan Einstein dan Millikan untuk masing-masing dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1921 dan 1923.

Efek fotolistrik dapat dikatakan sebagai kebalikan dari sinar-X, karena efek fotolistrik menunjukkan bahwa foton dapat mentransfer energi ke elektron.

Sinar-X (sifat radiasi mereka tidak diketahui, maka “X” yang tidak diketahui) adalah transformasi dari semua atau sebagian dari energi kinetik dari elektron yang bergerak menjadi foton. Ini ditemukan secara kebetulan sebelum karya-karya Planck dan Einstein dirilis (meskipun tidak dipahami pada saat itu).

Efek fotolistrik dan Sifat Cahaya sebagai partikel

Pada tahun 1905 Albert Einstein (1879-1955) mengusulkan bahwa cahaya dapat digambarkan sebagai kuanta energi yang berperilaku sebagai partikel. Sebuah foton adalah partikel radiasi elektromagnetik yang memiliki massa nol dan membawa kuantum energi.

Energi dari foton cahaya dikuantisasi sesuai dengan persamaan E = hv. Selama bertahun-tahun cahaya telah digambarkan hanya menggunakan konsep gelombang, dan ilmuwan yang terlatih dalam fisika klasik menemukan dualitas gelombang-partikel cahaya ini menjadi sebuah ide yang sulit untuk diterima. Percobaan kunci yang dijelaskan oleh Einstein menggunakan sifat partikel cahaya yang disebut efek fotolistrik.

Efek fotolistrik adalah fenomena yang terjadi ketika cahaya yang menyinari ke permukaan logam menyebabkan ejeksi elektron dari logam tersebut. Dari pengamatan diketahui bahwa hanya frekuensi tertentu dari cahaya dapat menyebabkan ejeksi elektron. Jika frekuensi cahaya datang terlalu rendah (lampu merah, misalnya), maka tidak ada elektron yang dikeluarkan bahkan jika intensitas cahaya yang sangat tinggi atau itu menyinari ke permukaan untuk waktu yang lama.

Jika frekuensi cahaya lebih tinggi (lampu hijau, misalnya), maka elektron mampu dikeluarkan dari permukaan logam bahkan jika intensitas cahaya sangat rendah atau itu menyinari hanya untuk waktu yang singkat. Frekuensi minimum ini diperlukan untuk menyebabkan ejeksi elektron disebut sebagai frekuensi ambang.

Fisika klasik tidak mampu menjelaskan efek fotolistrik. Jika fisika klasik diterapkan pada situasi ini, elektron dalam logam akhirnya bisa mengumpulkan energi yang cukup untuk dikeluarkan dari permukaan bahkan jika cahaya yang masuk adalah dari frekuensi rendah. Einstein menggunakan teori partikel cahaya untuk menjelaskan efek fotolistrik seperti terlihat pada Gambar di bawah ini.

Perhatikan persamaan E = hv. E adalah energi minimum yang diperlukan agar elektron pada logam yang akan dikeluarkan. Jika frekuensi cahaya yang masuk itu, v, di bawah frekuensi ambang batas, tidak akan pernah ada energi yang cukup untuk menyebabkan elektron yang akan dikeluarkan.

Jika frekuensi sama dengan atau lebih tinggi dari frekuensi ambang, elektron akan dikeluarkan. Saat frekwensi meningkat sampai melampaui ambang batas, elektron dikeluarkan langsung bergerak cepat. Peningkatan intensitas cahaya yang masuk yang berada di atas frekuensi ambang menyebabkan jumlah elektron yang dikeluarkan mengalami peningkatan, tetapi mereka tidak melakukan perjalanan lebih cepat.

Efek fotolistrik diterapkan dalam perangkat yang disebut sel fotolistrik, yang biasanya ditemukan dalam barang-barang sehari-hari seperti kalkulator yang menggunakan energi cahaya untuk menghasilkan listrik.

Proses Efek fotolistrik

Foton sinar cahaya memiliki energi karakteristik yang ditentukan oleh frekuensi cahaya. Dalam proses efek fotolistrik, jika sebuah elektron menyerap energi foton dan foton memiliki lebih banyak energi daripada fungsi kerja, elektron akan terlepas dari materi. Jika energi foton terlalu rendah, elektron tidak dapat lepas dari permukaan material.

Meningkatkan intensitas sinar tidak mengubah energi foton penyusun, hanya mengubah jumlah foton. Akibatnya, energi dari elektron yang dipancarkan tidak tergantung pada intensitas cahaya, tetapi pada energi foton.

Elektron dapat menyerap energi dari foton ketika mereka diiradiasi, tetapi mengikuti prinsip “semua atau tidak sama sekali”. Semua energi foton harus diserap dan digunakan untuk membebaskan elektron dari ikatan atom, atau energi itu dipancarkan kembali. Jika energi foton diserap, satu bagian melepaskan elektron dari atom dan sisanya berkontribusi pada energi kinetik elektron sebagai partikel bebas.

Einstein tidak berniat untuk mempelajari penyebab efek di mana elektron dari logam tertentu, karena radiasi cahaya, dapat meninggalkan logam dengan energi kinetik. Dia mencoba menjelaskan perilaku radiasi, yang disebabkan oleh intensitas radiasi kejadian, dengan mengetahui jumlah elektron yang meninggalkan logam, dan frekuensinya, yang sebanding dengan energi yang mendorong partikel-partikel ini.

Hukum emisi fotolistrik

• Untuk logam tertentu dan frekuensi radiasi kejadian, jumlah fotoelektron yang dipancarkan berbanding lurus dengan intensitas cahaya insiden.
• Untuk setiap logam yang diberikan, ada frekuensi minimum tertentu dari radiasi kejadian di bawah ini yang tidak dapat dipancarkan fotoelektron. Frekuensi ini disebut frekuensi cutoff, juga dikenal sebagai “Frekuensi Ambang Batas”.
• Di atas frekuensi cutoff, energi kinetik maksimum dari photoelectron yang dipancarkan tidak tergantung dari intensitas cahaya yang datang, tetapi tergantung pada frekuensi cahaya yang masuk.
• Emisi fotoelektron dilakukan secara instan, terlepas dari intensitas cahaya yang terjadi. Fakta ini bertentangan dengan teori Klasik: Fisika Klasik akan berharap bahwa ada penundaan tertentu antara penyerapan energi dan emisi elektron, kurang dari satu nanodetik.

Penerapan efek fotolistrik

Efek fotolistrik adalah dasar untuk produksi energi surya fotovoltaik. Prinsip ini juga digunakan untuk pembuatan sel yang digunakan dalam pendeteksi nyala dari boiler pembangkit listrik thermoelectric yang besar, serta untuk sensor yang digunakan dalam kamera digital.

Ini juga digunakan dalam dioda peka cahaya seperti yang digunakan dalam sel fotovoltaik dan dalam elektroskop atau elektrometer. Saat ini, bahan fotosensitif yang paling banyak digunakan adalah, selain dari yang berasal dari tembaga – sekarang lebih jarang digunakan – silikon, yang menghasilkan arus listrik lebih tinggi.

Efek fotolistrik juga memanifestasikan dirinya dalam tubuh yang terpapar sinar matahari yang berkepanjangan. Sebagai contoh, partikel debu pada permukaan bulan mendapatkan muatan positif karena dampak foton. Partikel bermuatan saling tolak naik dari permukaan dan membentuk atmosfer pingsan.

Satelit ruang angkasa juga memperoleh muatan listrik positif pada permukaannya yang terang dan muatan listrik negatif di daerah yang gelap, sehingga efek akumulasi muatan ini perlu dipertimbangkan dalam desainnya.

1. Remote Control

Kontrol jarak jauh, permainan, dan perangkat digital semakin hadir di era ini yang dianggap digital, sehingga layak dan menarik bahwa Efek Fotolistrik diamati, untuk pemahaman yang lebih baik, melalui simulator. Remote control, misalnya, dapat dikaitkan dengan sumber cahaya yang ada dalam simulator, karena memancarkan sinar cahaya dari frekuensi tertentu yang mengaktifkan perangkat fotosensitif yang ada di perangkat yang dikendalikan olehnya.

2. Bioskop

Berkat efek fotolistrik, layar di bioskop, serta transmisi gambar animasi (televisi) menjadi ada. Penggunaan perangkat fotolistrik memungkinkan untuk membuat mesin yang mampu menghasilkan komponen tanpa campur tangan manusia.

Perangkat yang operasinya didasarkan pada penggunaan efek fotolistrik mengontrol ukuran komponen yang lebih baik daripada yang dapat dilakukan oleh setiap pekerja, memungkinkan untuk secara otomatis menghidupkan dan mematikan penerangan jalan, lampu depan, dll. Semua ini menjadi mungkin karena penemuan perangkat khusus, yang disebut sel fotolistrik, di mana energi cahaya mengendalikan energi arus listrik atau diubah menjadi arus listrik.

3. Penglihatan malam

Peralatan penglihatan malam yang paling mudah diakses, lebih ringan, lebih kecil, lebih ergonomis, lebih dapat diandalkan, dengan bidang pandang yang lebih besar, dengan kinerja tinggi dalam kondisi pencahayaan rendah dan yang dapat digunakan baik di malam hari maupun siang hari saat ini dibuat dengan Tabung Penguat Gambar (TII).

Penguat cahaya didasarkan pada efek fotolistrik yang diperlihatkan oleh Albert Einstein pada tahun 1905, di mana foton pada tumbukan pada bahan tertentu mampu menyebabkan emisi elektron, yang disebut fotolistron. Efek fotolistrik ini terjadi tepat di dalam fotokatoda. Oleh karena itu, cahaya (foton) yang mencapai fotokatoda dikonversi menjadi fotoelektron.

Fotoelektron ini dipercepat oleh medan listrik dan untuk TI dari generasi ke-2 dan seterusnya dikalikan pada pelat microchannel. Penggandaan elektron ini terjadi sebagai berikut: medan listrik antara fotokatoda dan pelat microchannel mengarahkan elektron ke pelat, sehingga ketika mereka memasuki microchannels mereka bertumbukan dengan dinding semikonduktor.

Tabrakan ini menghasilkan elektron sekunder yang bergerak di dalam microchannels di bawah pengaruh medan listrik yang kuat yang diterapkan di sepanjang microchannels. Semakin banyak tumbukan menghasilkan lebih banyak elektron dan efek ini menghasilkan gain (amplifikasi) TIl.

Ketika mereka mencapai ujung pelat microchannel, elektron dipercepat melalui pemisahan kecil hingga mencapai layar fosfor. Pada layar fosfor, elektron yang digandakan bertabrakan dengan energi tinggi dan dikonversi menjadi foton, menghasilkan gambar. Setelah layar fosfor adalah jendela serat optik, yang membawa gambar yang dihasilkan ke posisi fokus yang diinginkan untuk sisa sistem optik, dan, jika perlu, membalikkan gambar.

Aplikasi Efek Fotolistrik

• Panel Surya menggunakannya untuk menghasilkan listrik. Kombinasi logam pada panel ini memungkinkan daya dihasilkan dari berbagai panjang gelombang.
• Sensor untuk gerak dan posisi: Bahan fotolistrik ditempatkan di depan LED UV atau IR dalam hal ini. Lampu dimatikan ketika objek ditempatkan di antara LED dan sensor, dan rangkaian elektronik mengenali perubahan beda potensial.
• Sensor pencahayaan, seperti yang ditemukan di smartphone, memungkinkan penyesuaian kecerahan layar secara otomatis sebagai respons terhadap cahaya sekitar. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa kuantitas yang diciptakan oleh efek fotolistrik sebanding dengan jumlah cahaya yang mengenai sensor.
• Kamera digital dapat mendeteksi dan merekam cahaya karena memiliki sensor fotolistrik yang merespons berbagai warna cahaya.
• X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS): Pendekatan ini melibatkan penyinaran permukaan dengan sinar-x dan mengukur energi kinetik elektron yang dilepaskan. Fitur penting dari kimia permukaan, seperti komposisi unsur, komposisi kimia, rumus empiris senyawa, dan keadaan kimia, dapat diperoleh.
• Dalam alarm pencuri, sel fotolistrik digunakan.
• Pengganda foto menggunakannya untuk mendeteksi tingkat cahaya rendah.
• Pada hari-hari awal televisi, itu digunakan dalam tabung kamera video.
• Fenomena ini digunakan dalam sistem night vision.
• Efek fotolistrik juga berguna dalam penelitian reaksi nuklir. Karena elektron yang dilepaskan cenderung membawa energi spesifik yang khas dari sumber atom, elektron ini digunakan dalam studi kimia bahan.

Ringkasan

• Cahaya memiliki sifat baik gelombang dan partikel.
• Efek fotolistrik diproduksi dengan penumbukan cahaya pada logam dan mengeluarkan elektron yang membentuk permukaan logam.