Pernahkah kamu melihat pelangi? Pernahkah kamu melihat warna-warni di jalan aspal yang basah? Pelangi terjadi akibat dispersi cahaya matahari pada titik-titik air hujan. Adapun warna-warni yang terlihat di jalan beraspal terjadi akibat gejala interferensi cahaya. Gejala dispersi dan interferensi cahaya menunjukkan bahwa cahaya merupakan gejala gelombang. Gejala difraksi dan polarisasi cahaya juga menunjukkan sifat gelombang dari cahaya.

pola warna-warni di atas aspal basah yang dikenai bensin terjadi akibat interferensi cahaya

Gejala fisika yang lain seperti spektrum diskrit atomik, efek fotolistrik, dan efek Compton menunjukkan bahwa cahaya juga dapat berperilaku sebagai partikel. Sebagai partikel cahaya disebut dengan foton yang dapat mengalami tumbukan selayaknya bola.

A. Sifat Partikel dari Gelombang

1. Efek Fotolistrik

Ketika seberkas cahaya dikenakan pada logam, ada elektron yang keluar dari permukaan logam. Gejala ini disebut efek fotolistrik. Efek fotolistrik diamati melalui prosedur sebagai berikut. Dua buah pelat logam (lempengan logam tipis) yang terpisah ditempatkan di dalam tabung hampa udara. Di luar tabung kedua pelat ini dihubungkan satu sama lain dengan kawat. Mula-mula tidak ada arus yang mengalir karena kedua plat terpisah. Ketika cahaya yang sesuai dikenakan kepada salah satu pelat, arus listrik terdeteksi pada kawat. Ini terjadi akibat adanya elektron-elektron yang lepas dari satu pelat dan menuju ke pelat lain secara bersama-sama membentuk arus listrik.

Hasil pengamatan terhadap gejala efek fotolistrik memunculkan sejumlah fakta yang merupakan karakteristik dari efek fotolistrik. Karakteristik itu adalah sebagai berikut.

1. hanya cahaya yang sesuai (yang memiliki frekuensi yang lebih besar dari frekuensi tertentu saja) yang memungkinkan lepasnya elektron dari pelat logam atau menyebabkan terjadi efek fotolistrik (yang ditandai dengan terdeteksinya arus listrik pada kawat). Frekuensi tertentu dari cahaya dimana elektron terlepas dari permukaan logam disebut frekuensi ambang logam. Frekuensi ini berbeda-beda untuk setiap logam dan merupakan karakteristik dari logam itu.
2. ketika cahaya yang digunakan dapat menghasilkan efek fotolistrik, penambahan intensitas cahaya dibarengi pula dengan pertambahan jumlah elektron yang terlepas dari pelat logam (yang ditandai dengan arus listrik yang bertambah besar). Tetapi, Efek fotolistrik tidak terjadi untuk cahaya dengan frekuensi yang lebih kecil dari frekuensi ambang meskipun intensitas cahaya diperbesar.
3. ketika terjadi efek fotolistrik, arus listrik terdeteksi pada rangkaian kawat segera setelah cahaya yang sesuai disinari pada pelat logam. Ini berarti hampir tidak ada selang waktu elektron terbebas dari permukaan logam setelah logam disinari cahaya.

Karakteristik dari efek fotolistrik di atas tidak dapat dijelaskan menggunakan teori gelombang cahaya. Diperlukan cara pandang baru dalam mendeskripsikan cahaya dimana cahaya tidak dipandang sebagai gelombang yang dapat memiliki energi yang kontinu melainkan cahaya sebagai partikel.

Perangkat teori yang menggambarkan cahaya bukan sebagai gelombang tersedia melalui konsep energi diskrit atau terkuantisasi yang dikembangkan oleh Planck dan terbukti sesuai untuk menjelaskan spektrum radiasi kalor benda hitam. Konsep energi yang terkuantisasi ini digunakan oleh Einstein untuk menjelaskan terjadinya efek fotolistrik. Di sini, cahaya dipandang sebagai kuantum energi yang hanya memiliki energi yang diskrit bukan kontinu yang dinyatakan sebagai E = hf.

Konsep penting yang dikemukakan Einstein sebagai latar belakang terjadinya efek fotolistrik adalah bahwa satu elektron menyerap satu kuantum energi. Satu kuantum energi yang diserap elektron digunakan untuk lepas dari logam dan untuk bergerak ke pelat logam yang lain. Hal ini dapat dituliskan sebagai

Energi cahaya = Energi ambang + Energi kinetik maksimum elektron

E = W₀ + E_km

hf = hf₀ + E_km

E_km = hf – hf₀

Persamaan ini disebut persamaan efek fotolistrik Einstein. Perlu diperhatikan bahwa W₀ adalah energi ambang logam atau fungsi kerja logam, f₀ adalah frekuensi ambang logam, f adalah frekuensi cahaya yang digunakan, dan E_km adalah energi kinetik maksimum elektron yang lepas dari logam dan bergerak ke pelat logam yang lain. Dalam bentuk lain persamaan efek fotolistrik dapat ditulis sebagai

Dimana m adalah massa elektron dan v_e adalah dan kecepatan elektron. Satuan energi dalam SI adalah joule (J) dan frekuensi adalah hertz (Hz). Tetapi, fungsi kerja logam biasanya dinyatakan dalam satuan elektron volt (eV) sehingga perlu diingat bahwa 1 eV = 1,6 × 10⁻¹⁹ J.

Potensial Penghenti

Gerakan elektron yang ditandai sebagai arus listrik pada gejala efek fotolistrik dapat dihentikan oleh suatu tegangan listrik yang dipasang pada rangkaian. Jika pada rangkaian efek fotolistrik dipasang sumber tegangan dengan polaritas terbalik (kutub positif sumber dihubungkan dengan pelat tempat keluarnya elektron dan kutub negatif sumber dihubungkan ke pelat yang lain), terdapat satu nilai tegangan yang dapat menyebabkan arus listrik pada rangkaian menjadi nol.

Arus nol atau tidak ada arus berarti tidak ada lagi elektron yang lepas dari permukaan logam akibat efek fotolistrik. Nilai tegangan yang menyebabkan elektron berhenti terlepas dari permukaan logam pada efek fotolistrik disebut tegangan atau potensial penghenti (stopping potential). Jika V₀ adalah potensial penghenti, maka

E_km = eV₀

Persamaan ini pada dasarnya adalah persamaan energi. Perlu diperhatikan bahwa e adalah muatan elektron yang besarnya 1,6 × 10⁻¹⁹ C dan tegangan dinyatakan dalam satuan volt (V).

Aplikasi Efek fotolistrik

Efek fotolistrik merupakan prinsip dasar dari berbagai piranti fotonik (photonic device) seperti lampu LED (light emitting device) dan piranti detektor cahaya (photo detector).

Efek foto listrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan suatu zat (logam), bila permukaan logam tersebut disinari cahaya (foton) yang memiliki energi lebih besar dari energi ambang (fungsi kerja) logam.

Efek fotolistrik ini ditemukan oleh Albert Einstein, yang menganggap bahwa cahaya (foton) yang mengenai logam bersifat sebagai partikel.

Energi kinetik foto elektron yang terlepas:

Ek = h f - h fo

Ek maks = e Vo

Proses kebalikan foto listrik adalah proses pembentukan sinar X yaitu proses perubahan energi kinetik elektron yang bergerak menjadi gelombang elektromagnetik (disebut juga proses Bremmsstrahlung).

Kesimpulan:

1. Agar elektron dapat lepas dari permukaan logam maka f > fo atau l < lo
2. Ek maksimum elektron yang terlepas tidak tergantung pada intensitas cahaya yang digunakan, hanya tergantung pada energi atau frekuensi cahaya. Tetapi intensitas cahaya yang datang sebanding dengan jumlah elektron yang terlepas dari logam.

Seratus tahun lalu, Albert Einstein muda membuat karya besarnya. Tak tanggung-tanggung, ia melahirkan tiga buah makalah ilmiah yang menjadikan dirinya ilmuwan paling berpengaruh di abad ke-20. Tahun itu dianggap annus mirabilis atau Tahun Keajaiban Einstein. Salah satu makalah itu adalah tentang efek fotolistrik. Oleh panitia Hadiah Nobel Fisika, makalah itu dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada 1921.

Komunitas fisika dunia memperingati tahun ini sebagai Tahun Einstein. Dalam momentum peringatan ini diharapkan muncul Einstein-Einstein abad ke-21. Sejalan dengan ide itulah panitia akademika Olimpiade Fisika Internasional ke-36 di Salamanca, Spanyol, memunculkan problem dari penelitian Einstein dalam fotolistrik.

Dalam ujian praktek yang berlangsung di gedung Multiusos Sanchez Paraiso, Universitas Salamanca, Kamis (7/7) pekan lalu, para kontestan disuguhi soal bagaimana mengukur konstanta Planck dengan cahaya dari lampu pijar.

Apa hubungan Max Planck dan Albert Einstein? Pada 1990, Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947), ilmuwan dari Universitas Berlin, Jerman, mengemukakan hipotesisnya bahwa cahaya dipancarkan oleh materi dalam bentuk paket-paket energi yang ia sebut quanta. Ia memformulakannya sebagai hv. Penemuan Planck itu membuatnya mendapatkan Hadiah Nobel Bidang Fisika pada 1918.

Gagasan ini diperluas oleh Einstein lima tahun setelah itu. Dalam makalah ilmiah tentang efek fotolistrik, menurut Einstein, cahaya terdiri dari partikel-partikel yang kemudian disebut sebagai foton. Ketika cahaya ditembakkan ke suatu permukaan logam, foton-fotonnya akan menumbuk elektron-elektron pada permukaan logam tersebut sehingga elektron itu dapat lepas. Peristiwa lepasnya elektron dari permukaan logam itu dalam fisika disebut sebagai efek fotolistrik.

Einstein menemukan bahwa setiap foton mempunyai energi yang sangat besar, bergantung pada frekuensi. Dalam fisika, energi dari foton dituliskan sebagai E = h x f, simbol f adalah frekuensi dan h adalah konstanta Planck. Nah, dalam soal eksperimen OFI ke-36 itu, para kontestan diminta menghitung nilai konstanta Planck tersebut melalui percobaan.

Semua kontestan diberikan satu unit rangkaian. Komponen sistem itu terdiri atas lampu pijar (bohlam), light dependent resistance (LDR), filter, tabung tes, cairan pewarna berwarna oranye, baterai, dan alat ukur multimeter digital. Komponen-komponen itu harus dirangkaikan sesuai dengan skema yang diberikan. Prosedur perangkaian alat juga disertakan.

Sebelum menghitung konstanta Planck, para kontestan harus lebih dulu menghitung hambatan filamen (kawat pijar) bohlam, panjang gelombang yang dapat diserap oleh filter, dan sifat-sifat LDR melalui percobaan yang cukup rumit dengan peralatan yang terbilang sederhana. Menurut Yohanes Surya, pembina TOFI, dalam percobaan seperti ini, ketelitian, teknik penggunaan grafik, dan penentuan eror atau kesalahan eksperimen sangat menentukan.

Namun, soal yang sulit itu dapat diselesaikan oleh TOFI 2005 sehingga dua anggota TOFI 2005, yakni Ali Sucipto dari SMA Xaverius 1 Palembang, Sumatera Selatan, dan Andika Putra, siswa SMA 1 Sutomo, Medan, Sumatera Utara, berhasil meraih emas. Poin yang didapat Ali dari soal eksperimen ini termasuk tinggi, yakni 19,5. Ini poin paling tinggi di timnya. Sedangkan Andika mencapai 18,7 (poin tertinggi untuk soal eksperimen adalah 20). Tapi Ali kalah dari Andika dalam pengumpulan poin teori, yakni Ali mendapat 27,3, sementara Andika 29,6 poin.

Poin sempurna (20) untuk soal eksperimen ini diraih oleh siswa Singapura, Jonathan Wei Xiang . Sementara itu, anggota TOFI yang lain memperoleh poin17,3 untuk Purnawirman dari SMAN 1 Pekanbaru, Riau; Michael Adrian dari SMA Regina Pacis Bogor 15,9; dan Ario Pabowo dari SMA Taruna Nusantara, Magelang, 15,7.

2. Efek Compton

Pada efek fotolistrik, cahaya dapat dipandang sebagai kuantum energi dengan energi yang diskrit. Kuantum energi tidak dapat digambarkan sebagai gelombang tetapi lebih mendekati bentuk partikel. Partikel cahaya dalam bentuk kuantum dikenal dengan sebutan foton. Pandangan cahaya sebagai foton diperkuat lagi melalui gejala yang dikenal sebagai efek Compton.

Jika seberkas sinar-X ditembakkan ke sebuah elektron bebas yang diam, sinar-X akan mengalami perubahan panjang gelombang dimana panjang gelombang sinar-X menjadi lebih besar. Gejala ini dikenal sebagai efek Compton, sesuai dengan nama penemunya, yaitu Arthur Holly Compton.

Sinar-X digambarkan sebagai foton yang bertumbukan dengan elektron (seperti halnya dua bola bilyar yang bertumbukan). Elektron bebas yang diam menyerap sebagian energi foton sehingga bergerak ke arah membentuk sudut terhadap arah foton mula-mula. Foton yang menumbuk elektron pun terhambur dengan sudut θ terhadap arah semula dan panjang gelombangnya menjadi lebih besar. Perubahan panjang gelombang foton setelah terhambur dinyatakan sebagai

Dimana m adalah massa diam elektron, c adalah kecepatan cahaya, dan h adalah konstanta Planck.

Arthur Holly Compton

Sumber : Aktifisika

B. Sifat Gelombang dari Partikel

Berdasarkan ide yang dikemukakan oleh Einstein, sebuah foton dengan energi hv (frekuensi v dan panjang gelombang λ) memiliki momentum linear searah dengan arah pergerakannya dan dengan besarannya p yang dinyatakan sebagai berikut

(1)

Pada tahun 1923, A. H. Compton membenarkan ide ini dengan menggunakan eksperimen hamburan sinar-X dan elektron. Sehingga, perilaku sebuah foton yang memiliki momentum sebesar h/λ dan energi hv dapat diketahui. Pada tahun 1923, de Broglie mempostulasikan bahwa sebuah partikel dapat memiliki panjang gelombang yang berkaitan dengan momentum yang ia miliki melalui persamaan (1) di mana momentum dan panjang gelombang adalah saling berhubungan satu dengan yang lainnya dan sebaliknya. Sifat gelombang dari sebuah elektron disebut sebagai gelombang elektron dan secara umum sifat gelombang dari materi disebut sebagai gelombang materi atau gelombang de Broglie. Panjang gelombang λ untuk gelombang materi diberikan oleh persamaan berikut, di mana juga ekivalen dengan persamaan (1).

(2)

Hubungan ini dikenal sebagai panjang gelombang de Broglie.

Gambar  Titik Laue dari kalsium karbonat (diberikan oleh Rigaku Denki).

Contoh :

Hitung panjang gelombang dari sebuah berkas elektron yang mengalami akselerasi dari 0 V hingga 150 V.

(Jawaban)

Energi kinetik, E adalah energi yang diperoleh melalui percepatan yang dihasilkan oleh beda potensial yang diberikan yaitu sebesar 150 V.

Secara umum, terdapat persamaan-persamaan berikut untuk elektron yang memiliki masa m, kecepatan v, momentum p dan energi kinetik E.

Dengan menggunakan hubungan de Broglie λ = h/p, kita akan mendapatkan

Sumber : Situs Kimia Indonesia