Proses Efek Fotolistrik, Rumus, dan Faktor yang Memengaruhinya

tirto.id - Efek fotolistrik memiliki beberapa fungsi penting dalam kehidupan sehari-hari. Sebagai contoh, di lampu LED (Light Emitting Diode), penggunaan efek fotolistrik diperlukan untuk menghasilkan cahaya.

Ketika arus listrik melewati semikonduktor dalam lampu LED, kemudian foton-foton cahaya dipancarkan. Proses efek fotolistrik tersebut akhirnya menciptakan pencahayaan.

Teknologi panel surya juga memanfaatkan efek fotolistrik untuk memproduksi listrik dari sinar matahari. Ketika cahaya matahari mengenai sel surya, foton-foton cahaya menyebabkan pelepasan elektron, yang kemudian dapat diarahkan dan digunakan untuk menghasilkan listrik.

Untuk memahami fenomena fisika ini, simak uraian berikut yang membahas pengertian efek fotolistrik, rumus efek fotolistrik, proses efek fotolistrik, hingga faktor-faktor apa saja yang mempengaruhi efek fotolistrik.

Apa yang Dimaksud Dengan Efek Fotolistrik?

Efek fotolistrik adalah fenomena fisika yang terjadi ketika cahaya yang jatuh di suatu permukaan logam menyebabkan elektron-elektron di logam tersebut terlepas. Proses Efek fotolistrik ini seperti saat cahaya matahari jatuh di permukaan logam panel surya dan menyebabkan elektron-elektron di dalamnya untuk bergerak dan menghasilkan listrik.

Jadi, apa yang dimaksud dengan efek fotolistrik adalah proses terlepasnya elektron di permukaan logam yang terjadi karena paparan atau penyerapan radiasi gelombang elektromagnetik cahaya. Dalam proses efek fotolistrik, pelepasan elektron dari satu permukaan logam untuk berpindah ke lainnya menghasilkan listrik.

Sebagaimana penjelasan di situs LibreTexts Chemistry, pada dasarnya, ketika cahaya mengenai logam, foton-foton cahaya bertabrakan dengan elektron-elektron di dalamnya.

Saat energi dari setiap foton cahaya mencapai tingkat tertentu, foton tersebut dapat memberikan cukup energi kepada elektron untuk memungkinkannya terlepas dari logam. Elektron yang terlepas ini dapat digunakan untuk membuat arus listrik. Prinsip efek fotolistrik ini menjadi dasar dari berbagai teknologi, seperti panel surya hingga kalkulator.

Yang menarik, tidak semua cahaya bisa menyebabkan efek fotolistrik. Hanya cahaya dengan frekuensi atau warna tertentu yang bisa membuat elektron terlepas dari logam. Jika cahaya yang jatuh memiliki frekuensi terlalu rendah, tidak peduli seberapa kuatnya cahaya itu, tidak akan ada elektron terlepas.

Jadi, syarat terjadinya efek fotolistrik ialah terdapat energi cahaya yang cukup agar foton (cahaya) dapat membuat elektron terlepas dan kemudian berpindah dari satu logam ke logam lainnya.

Rumus Efek Fotolistrik

Terdapat beberapa rumus efek fotolistrik yang digunakan untuk mengukur fenomena fisika ini. Berikut ini penjelasan sejumlah rumus efek fotolistrik dan keterangannya.

1. Rumus energi foton (rumus energi fotolistrik)

Untuk menghitung besaran energi foton (cahaya) yang diperlukan agar elektron bisa terlepas dari logam dalam proses efek fotolistrik, dipakai rumus: E = hf

Keterangan untuk rumus energi foton, E = hf adalah:

• E adalah energi foton (Joule atau J)
• h adalah nilai Konstanta Planck (6,63 x 10^-34 m2kg/s) atau (6,6 x 10^-34 Js)
• f adalah frekuensi gelombang cahaya (Hz).

Jika terdapat lebih dari satu foton, energi total (Ef) dapat dihitung dengan mengalikan hf dengan jumlah foton (n).

2. Rumus energi kinetik fotolistrik

Di dalam proses efek fotolistrik, terdapat pergerakan elektron yang menghasilkan energi kinetik. Untuk menghitung energi kinetik yang digunakan dalam proses fotolistrik, dipakai rumus: Ef = E0 + Ekmax.

Keterangan untuk rumus energi kinetik fotolistrik, Ef = E0 + Ekmax adalah:

• Ef adalah energi total foton,
• E0 adalah energi ambang yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari atom,
• Ekmax adalah energi kinetik maksimum yang dimiliki oleh elektron.

Dengan menggunakan rumus tersebut, energi ambang (E0) atau energi kinetik maksimum (Ekmax) dapat dihitung dengan rumus berikut:

• E0 = Ef - Ekmax
• Ekmax = Ef - E0

Bagaimana Proses Terjadinya Efek Fotolistrik?

Bagaimana terjadinya proses efek fotolistrik? Proses terjadinya efek fotolistrik dimulai dari penyerapan cahaya (foton) hingga terbentuknya arus listrik.

Berikut ini uraian tahapan yang menjelaskan bagaimana proses efek fotolistrik terjadi:

1. Penyerapan cahaya

Ketika cahaya mengenai permukaan logam, foton-foton cahaya diserap oleh elektron-elektron di dalam logam.

2. Eksitasi elektron

Foton cahaya yang diserap memberikan energi tambahan kepada elektron di dalam logam. Elektron yang menerima energi tambahan ini dapat meloncat ke tingkat energi yang lebih tinggi, melepaskan diri dari ikatan dengan atom logam.

3. Pembebasan elektron

Apabila energi foton mencukupi untuk melebihi energi ambang (batas minimum energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari logam), elektron akan terlepas dari permukaan logam dan menjadi fotoelektron.

4. Terbentuknya arus listrik

Fotoelektron yang terlepas dari permukaan logam dapat menyebabkan terbentuknya arus listrik jika diberikan suatu medan listrik eksternal yang mengarahkan mereka menuju elektrode lainnya.

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Efek Fotolistrik

Faktor faktor apa saja yang mempengaruhi efek fotolistrik? Mengacu pada penjelasan dalam buku Modul Pembelajaran Fisika: Fisika Kuantum (2020), terdapat 4 faktor yang memengaruhi efek fotolistrik.

Berikut penjelasan tentang faktor-faktor yang mempengaruhi efek fotolistrik:

1. Energi kinetik fotoelektron

Besarnya energi kinetik fotolistrik tidak bergantung pada intensitas cahaya. Meski jumlah fotoelektron yang keluar meningkat seiring dengan peningkatan intensitas cahaya, energi kinetik maksimum yang dimiliki oleh setiap fotoelektron tetap sama. Namun, di dalam prinsip energi kinetik fotolistrik, Energi kinetik maksimum fotoelektron dapat meningkat seiring adanya peningkatan frekuensi cahaya yang datang.

2. Spontanitas pembebasan elektron

Elektron terlepas dari logam secara spontan saat terkena cahaya. Waktu antara kedatangan cahaya dan pelepasan fotoelektron bergantung pada energi foton yang membawa cahaya. Jika intensitas cahaya rendah, jumlah foton yang tiba per unit waktu juga sedikit.

3. Pengaruh frekuensi cahaya

Tidak ada fotoelektron yang terlepas jika frekuensi cahaya kurang dari nilai tertentu. Elektron hanya akan lepas dari permukaan logam jika energi foton melebihi nilai fungsi kerja, yang merupakan energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan elektron.

4. Frekuensi cahaya dan energi kinetik maksimum fotoelektron

Besarnya energi kinetik maksimum fotoelektron akan tergantung pada frekuensi cahaya. Foton dengan frekuensi yang lebih tinggi membawa energi lebih besar, sehingga fotoelektron yang terlepas memiliki energi kinetik lebih tinggi daripada fotoelektron yang dilepaskan oleh foton dengan frekuensi rendah.