9  Kesan Fotoelektrik

Antara yang terawal menyahut postulat kuantum Planck ialah Albert Einstein pada tahun 1905 dalam makalahnya bertajuk Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt1 yang diterbitkan dalam jurnal masyhur ‘Annalen der Physik’.

Kesan fotoelektrik ialah kejadian elektron yang diterujakan apabila disinari cahaya sehingga bebas dari ikatan atomnya. Tenaga yang diterima oleh elektron berkadaran dengan frekuensi cahaya. Hal ini serupa dengan tenaga yang dibawa oleh sekuantum cahaya dalam postulat kuantum Planck (Rujuk Section 2.1).

Hukum 9.1 (Kesan Fotoelektrik) Tenaga, \(E\), yang diterima elektron dari cahaya berfrekuensi \(f\) setelah membebaskan diri dari permukaan logam berfungsi kerja \(\Phi\) ialah \[ E = hf - \Phi \]

simbol maksud nilai
E tenaga kinetik yang diterima elektron pembolehubah bersandar \(f\) dan \(\Phi\)
\(h\) pemalar Planck \(6.62607015\times 10^{-34}\text{J}\cdot\text{s}\)
\(f\) frekuensi cahaya pembolehubah tidak bersandar
\(\Phi\) fungsi kerja logam pembolehubah tidak bersandar

9.1 Tatakaedah

Figure 9.1: Tataletak radas

Radas-radas yang diperlukan untuk kesan fotoelektrik ialah seperti berikut:

  1. Bekas hampagas lutsinar
  2. Dua keping logam
  3. Sumber cahaya berwarna tulen
  4. Bateri
  5. Ammeter

Dua keping logam diletakkan dalam bekas hampagas lutsinar bagi memastikan tiada pengaruh bendasing. Sambungkan kepingan logam tersebut pada bateri dan ammeter supaya menjadi litar terbuka. Halakan lampu pada kepingan logam bercas negatif lalu lihat apa hasilnya pada ammeter.

Jika tenaga yang dibekalkan cahaya adalah cukup, maka elektron-elektron akan melompat dari kepingan logam pertama ke kepingan logam kedua. Perbuatan ini akan menutup litar lalu menghasilkan arus. Ujikaji ini boleh ditiru melalui simulasi yang telah disediakan oleh University of Colorado di pautan ini: https://phet.colorado.edu/en/simulations/photoelectric/

Bandingkan apakah kesan tiga (3) perkara ini terhadap arus elektrik:

  1. keamatan cahaya
  2. warna cahaya (frekuensi)
  3. jenis logam

  1. maksud: Tentang Penghasilan dan Penukaran Cahaya Dari Sudut Pandang Heuristik↩︎

9.2 Pemerhatian

Terdapat tiga perkara yang boleh disimpulkan daripada ujikaji ini:

  1. Ada warna (frekuensi) cahaya yang mampu melompatkan elektron dan ada warna cahaya yang langsung tidak mampu melompatkan elektron. Arus litar berkadaran terus dengan frekuensi cahaya.
  2. Keamatan cahaya hanya memberi kesan terhadap arus sekiranya warna yang digunakan mampu melompatkan elektron. Arus litar berkadaran terus dengan keamatan cahaya dengan syarat frekuensi cahaya berjaya lompatkan elektron dalam pemerhatian (1).
  3. Kepingan logam yang digunakan mempengaruhi frekuensi cahaya yang boleh lompatkan elektron. Ada logam yang memerlukan cahaya berfrekuensi tinggi manakala ada logam yang memerlukan cahaya berfrekuensi rendah.

Hal ini menghairankan Phillip Lenard yang lakukan ujikaji ini pada tahun 1902 dan rakan-rakan sezamannya. Jika disangkakan cahaya adalah gelombang semata-mata, perkara-perkara yang disenaraikan di atas tidak berlaku.

Figure 9.2: Kincir air bertakung digunakan sebagai analogi bagaimana fizikawan terdahulu menggambarkan elektron boleh mengumpulkan tenaga dari cahaya seolah-olah ianya sungai. Gambar dipetik dari Malcolm.boura melalui wikimedia dan diubah suai dengan lesen karyasama CC-BY-SA 4.0

Pertimbangkan satu kincir air jenis bertakung yang dipasang di hujung sungai untuk dituai tenaganya. Kincir tersebut tetap akan berpusing tidak kiralah sungainya mengalir secara deras ataupun tidak. Asalkan takungannya dapat diisi, maka kincir tetap akan berpusing (Rujuk Figure 9.2). Bezanya, sungai yang tidak deras akan ambil masa yang lama untuk mengisi takungan kincir air berbanding sungai yang deras.

Begitulah juga gambaran fizikawan terdahulu tentang cahaya. Sekiranya cahaya adalah sejenis gelombang yang terus-menerus memberikan tenaga, maka mana-mana frekuensi cahaya akan boleh melompatkan elektron dari kepingan logam. Bezanya cepat atau lambat sahaja menunggu takungan tenaga diisi. Hakikatnya, elektron melompat dengan serta-merta dan bergantung kepada frekuensi cahaya.

Hal ini yang menjemput Albert Einstein memikirkan semula ujikaji ini dari kerangka postulat kuantum Planck. Jika digambarkan cahaya melalui postulat kuantum Planck , maka ketiga-tiga pemerhatian di atas dapat dijelaskan, termasuklah hakikat bahawa elektron melompat serta-merta:

  1. Setiap elektron hanya boleh terima tenaga satu kuantum cahaya secara serta-merta. Oleh itu, tenaga cahaya yang berkadaran dengan frekuensi cahaya (\(E=hf\)) memainkan peranan penting. Sekiranya tenaga yang dibekalkan frekuensi tertentu tidak mencukupi, maka elektron tidak boleh lompat.
  2. Keamatan cahaya mewakili berapa banyak ketulan kuantum cahaya yang disinarkan. Kemudian, lebih banyak ketulan kuantum cahaya disinarkan, lebih banyaklah elektron yang melompat lalu meninggikan arus (walaupun tenaga setiap satu elektron tidak bertambah).
  3. Setiap logam ada ikatan yang tersendiri terhadap elektron. Ikatan ini ialah fungsi kerja \(\Phi\) dan setiap logam mempunyai nilai lain-lain. Tenaga yang diterima elektron tersebut akan digunakan untuk membebaskan diri dari ikatan ini. Selebihnya, akan digunakan untuk melompat.

Dari tiga perkara inilah munculnya hukum 9.1.