Skip to content Skip to sidebar Skip to footer

Perkembangan Teori Kuantum Pertama: Efek Fotolistrik

Einstein merupakan orang pertama yang menghargai penemuan kuanta dari Planck. Pada tahun 1905, Einstein menulis makalah dimana ia menerapkan teori Planck untuk memecahkan fenomena efek fotolistrik yang membingungkan ilmuwan pada masa itu.

Sumber: physics world

Efek fotolistrik merupakan fenomena terpancar atau terpental-nya elektron dari permukaan suatu benda ketika benda tersebut dikenai radiasi elektromagnetik – contohnya; cahaya. Elektron yang dipancarkan dengan cara ini disebut sebagai fotoelektron. Dalam definisi yang lebih luas, energi radiasi juga dapat berupa cahaya inframerah, sinar ultraviolet, sinar-x maupun sinar gamma, sedangkan benda atau bahannya dapat berupa benda padat, cair atau gas. Lalu, partikel yang dilepaskan selain elektron dapat pula berupa ion atau molekul bermuatan listrik.

Pada tahun 1887, hasil eksperimen Heinrich Hertz menunjukkan bahwa jika permukaan logam disinari (dipapar cahaya) dengan frekuensi yang cukup maka permukaan logam tersebut akan memancarkan elektron. Berdasarkan teori klasik, maka diprediksi bahwa gelombang cahaya akan terus menerus mentransfer energi ke elektron hingga mencapai jumlah energi tertentu untuk melontarkan elektron tersebut. Jadi, menurut teori klasik, jika banyaknya cahaya (intensitas cahaya) diperbanyak maka elektron akan menerima lebih banyak energi, sehingga energi kinetik dari fotoelektron akan semakin besar. Sebaliknya, jika logam dipapar cahaya yang redup maka proses terlontarnya elektron akan tertunda.

Sayangnya, eksperimen yang dilakukan Philipp Lenard pada tahun 1902 menghasilkan data yang berbeda dari prediksi teori klasik. Lenard menemukan bahwa energi dari elektron yang dipancarkan/dipentalkan dari permukaan logam bergantung pada frekuensi cahaya dan bukan pada intensitas (jumlah) cahayanya. Jika frekuensi cahaya terlalu rendah maka tidak ada elektron yang dipancarkan. Dengan kata lain, terdapat frekuensi ambang atau frekuensi minimum sebagai syarat agar elektron dapat dipancarkan dari permukaan logam. Frekuensi ambang ini berbeda-beda pada setiap jenis logam.

Sebaliknya, ketika jumlah berkas cahaya diperkuat (diperbanyak) maka benda hanya akan memancarkan lebih banyak elektron, sedangkan energi elektron rata-rata-nya tetap sama dengan fotoelektron yang dihasilkan oleh berkas cahaya dalam jumlah yang lebih sedikit dengan frekuensi yang sama. Hal ini membingungkan ilmuwan, karena berdasarkan logika pada masa itu, semakin banyak dan semakin lama cahaya dipaparkan pada permukaan logam, seharusnya energi elektron yang dipancarkan (fotoelektron) akan lebih besar.

Hal membingungkan lainnya dari hasil eksperimen adalah tidak ada keterlambatan waktu (delay) antara datangnya cahaya pada logam dan terpancarnya elektron dari permukaan logam. Artinya, saat cahaya menyentuh permukaan logam, saat itu juga elektron dipancarkan. Secara klasik, fenomena ini sangat aneh karena seharusnya saat cahaya menyentuh permukaan logam maka logam butuh waktu untuk menyerap energi dari cahaya, atau, cahaya butuh waktu untuk mentransfer energi-nya kepada logam agar memenuhi batas ambang untuk mementalkan elektron dari permukaan logam.

Masalah efek fotolistrik ini dipecahkan oleh Einstein. Didasari oleh teori kuantum Planck, Einstein mendalilkan bahwa seberkas cahaya yang dikenal sebagai gelombang sebenarnya merupakan aliran dari kumpulan paket energi diskrit dalam bentuk partikel cahaya. Partikel cahaya atau paket energi diskrit ini kemudian diberi nama foton oleh fisikawan Berkeley, Gilbert Lewis, pada tahun 1926.

Menurut Einstein, jika berkas cahaya memiliki frekuensi tertentu maka setiap partikel foton memiliki energi yang sama dengan frekuensi cahaya tersebut dikalikan dengan konstanta Planck. Pada saat berkas cahaya tersebut menyentuh permukaan materi (logam), foton akan menembus materi dan menyerahkan seluruh energinya untuk elektron. Sebagiannya dipakai untuk melontarkan atau melepaskan elektron dari permukaan logam, sedangkan sisanya menjadi energi gerak (energi kinetik) elektron. Pada kasus ini, sebuah elektron hanya akan dipukul oleh sebuah foton.

Untuk membereskan masalah frekuensi ambang, Einstein mendefinisikannya sebagai fungsi kerja. Fungsi kerja merupakan energi ambang untuk melontarkan elektron dari permukaan logam. Besarnya fungsi kerja atau energi ambang ini sama dengan frekuensi ambang yang dimiliki logam dikalikan dengan konstanta Planck. Jadi, besarnya energi ambang (fungsi kerja) juga berbeda-beda pada setiap jenis logam.

Dengan demikian, dari keseluruhan energi yang diterima elektron dari foton, jumlah yang sama besar dengan energi ambang logam digunakan untuk melontarkan elektron, sedangkan sisanya digunakan sebagai energi gerak elektron. Sederhananya, energi kinetik (gerak) fotoelektron sama dengan energi foton dikurangi energi ambang logam.

Gagasan Einstein ini memungkinkan untuk menjelaskan hasil eksperimen yang tampaknya berlawanan dengan intuisi pada masa itu. Meskipun Einstein mendeskripsikan cahaya sebagai kumpulan partikel, namun masih digambarkan memiliki sifat frekuensi seperti gelombang. Jadi, perhitungan cahaya sebagai partikel saja tidak cukup, dan sifatnya yang seperti gelombang masih diperlukan.

Meskipun Einstein berhasil menggambarkan emisi elektron dalam fenomena efek fotolistrik dengan cukup baik, hipotesis foton-nya cukup radikal sehingga tidak diterima secara umum – bahkan Planck turut menolak-nya. Model efek fotolistrik Einstein ini baru bisa diterima ketika berhasil diverifikasi secara eksperimental lewat pengukuran yang sangat akurat oleh fisikawan Amerika Robert Millikan pada tahun 1916.

Atas keberhasilannya menjelaskan efek fotolistrik Einstein akhirnya dianugerahi hadiah Nobel fisika pada tahun 1921.

Ricky Hamanay
Ricky Hamanay Yuditya Hamdani Hamanay; penulis sains amatir. Blogger sejak 2013