Teori kuantum cahaya (belajar fisika modern)

TEORI KUANTUM CAHAYA

Teori elektromagnetik cahaya dapat menerangkan sangat baik banyak sekali gejala, sehingga teori ini tentu mengandung kebenaran. Namun teori yang berdasar kokoh ini tidak cocok untuk menerangkan efek fotolistrik. Dalam tahun 1905 Einstein menemukan bahwa paradoks yang timbul pada efek fotolistrik dapat dimengerti hanya dengan memasukkan pengertian radikal yang pernah diusulkan lima tahun sebelumnya oleh fisikawan teoretis Jerman Max Planck.  Ketika itu Planck mencoba menerangkan radiasi karakteristik yang dipancarkan oleh benda mampat. Kita mengenal pijaran dari sepotong logam yang menimbulkan cahaya tampak, tetapi panjang gelombang lain yang terlihat mata juga terdapat. Sebuah benda tidak perlu sangat panas untuk bisa memancarkan gelombang elektromagnetik- semua benda memancarkan energi seperti secara malar (kontinu) tidak perduli berapa temperaturnya. Pada temperatur kamar sebagian besar radiasinya terdapat pada bagian inframerah dari spectrum, sehingga terlihat. 

Sifat yang dapat diamati dari radiasi benda hitam ini penamaan serupa itu akan dikemukakan alasannya pada bab 9, di situ pembahasan lengkap persoalan dan pemecahannya diberikan tidak dapat diterangkan berdasarkan prinsip fisis yang dapat diterima pada waktu itu.  Planck dapat menurunkan rumus yang dapat menerangkan radiasi spectrum ini (yaitu kecerahan relatif dari berbagai panjang gelombang yang terdapat) sebagai fungsi dari temperatur dari benda yang meradiasikannya kalau ia menganggap kalau radiasi yang dipancarkan terjadi secara tak malar (diskontinu), dipancarkan dalam caturan kecil, suatu anggapan yang sangat asing dalam teori electromagnet.  Catuan ini disebut kuanta.  Planck mendapatkan bahwa kuanta yang berpautan dengan frekuensi tertentu v dari cahaya semuanya harus berenergi sama dan bahwa energi ini E berbanding lurus dengan v.  Jadi

                                                Energi kuantum

Dengan h, pada waktu itu disebut tetapan Planck, berharga

h = 6,626 X 10^-34 J.s    Tetapan Planck

Ketika ia harus menganggap bahwa energi elektromagnetik yang diradiasikan oleh benda timbul secara terputus-putus, Planck tidak pernah menyangsikan bahwa penjalarannya melalui ruang merupakan gelombang elektromagnetik yang malar. Einstein mengusulkan bukan saja cahaya dipancarkan menurut suatu kuantum pada suatu saat, tetapi juga menjalar menurut kuanta individual; anggapan yang lebih berlawanan dengan fisika klasik.  Menurut hipotesis ini efek fotolistrik dapat diterangkan dengan mudah.  Rumusan empiris persamaan 2.1 dapat ditulis

(3.5)                                                                Efek fotolistrik

                       

Pengurulan Einstein berarti bahwa tiga suku dalam persamaan 2.3 dapat ditafsirkan sebagai berikut:

                  = isi energi dari masing-masing kuantum cahaya datang

  = enegi kinetik fotoelektron maksimum

       = energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan sebuah elektron dari  permukaan logam yang disinari.

Beberapa fungsi kerja fotolistrik terlihat dalam tabel 2.1. Untuk melepaskan elektron dari permukaan logam biasanya memerlukan separuh dari energi yang diperlukan untuk melepaskan electron dari atom bebas dari logam bersangkutan (lihat Tabel 10.1), sebagai contoh, energi ionisasi cesium 3,9 eV dibandingkan dengan fungsi kerja 1,9 eV. Karena spectrum cahaya tampak berkisar dari 4,2 hingga 7,9 X 10¹⁴ Hz yang bersesuaian dengan energi kuantum 1,7 hingga 3,3 eV, jelaslah dari table 2.1 bahwa efek fotolistrik ialah suatu gejala yang terjadi dalam daerah cahaya tampak dan ultraungu.

Seperti telah kita lihat, foton cahaya berfrekuensi  berenergi . dapat dinyatakan dalam elektronvolt (eV), yaitu

                     1 eV = 1,60 x 10^-19 J

     

Tabel 2.1 Fungsi Kerja Fotolistrik

Metal                Lambang            Fungsi Kerja, eV

Cesium             Cs                                   1,9      Kalium             K                                     2,2 Natrium            Na                                   2,3 Lithium            Li                                     2,5 Kalsium           Ca                                     3,2 Tembaga          Cu                                    4,5 Perak                Ag                                    4,7 Platina              Pt                                      5,6

Jadi rumus energi foton      dperoleh sebagi berikut

    

       

Dengan λ dinyatakan dalam meter.  Bila λ dinyatakan dalam satuan angstrom (Ǻ), dengan 1 Ǻ = 10^-10 m, maka

(3.7)                 Ǻ                                        Energi foton

Contoh Soal:

Cari energi kinetik foto electron jika cahaya ultraungu yang panjang gelombangnya 3500 Ǻ jatuh pada permukaan kalium.

Pemecahan:

Dari table 2.1 fungsi kerja kalium ialah 2,2 eV. Energi kuantum cahaya yang panjangnya 3500 Ǻ ialah

                     = 3,5 eV

Sehingga energi kinetic fotoelektron maksimum ialah

                    = 3,5 eV – 2,2 eV = 1,3 eV.

Kesalahan penafsiran yang lalu mengenai efek fotolistrik diteguhkan dengan studi mengenai emisi termionik.  Telah lama diketahui bahwa terdapatnya benda panas menambah konduktivitas listrik udara yang ada di sekelilingnya, dan menjelang abad ke sembilan belas penyebab gejala itu di temukan yaitu emisi electron dari benda panas itu. Emisi termonik memungkinkan bekernyanya peralatan seperti tabung gambar televise yang didalamnya terdapat filament logam atau katoda berlapisan khusus yang pada temperature tinggi menyajikan arus electron yang rapat. Jelaslah bahwa electron yang dipancarkan memperoleh energi dari agitasi termal partikel pada logam, dan dapat diharapkan bahwa electron harus mendapat energi minimum tertentu supaya dapat lepas. Energi minimum ini dapat ditentukan untuk berbagai permukaan dan selalu berdekatan dengan fungsi kerja fotolistrik, foton cahaya menyediakan energi yang diperlukan oleh electron untuk lepas, sedang dalam emisi termionik kalor yang menyediakannya: dalam kasus itu proses fisis yang bersangkutan dengan timbulnya electron dari permukaan logam sama.