Fungsi Kerja — Efek Fotolistrik & Frekuensi Ambang

Fungsi kerja adalah energi minimum yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron dari permukaan suatu material. Dalam soal efek fotolistrik, besaran ini ditulis sebagai $\phi$, dan menentukan energi foton ambang untuk terjadinya emisi. Cara cepat memikirkannya adalah: apakah satu foton dapat menyuplai setidaknya $\phi$?

Jika jawabannya tidak, tidak ada elektron yang dipancarkan dalam model dasar. Jika jawabannya ya, emisi dapat terjadi, dan sisa energinya muncul sebagai energi kinetik elektron yang dipancarkan.

Fungsi Kerja dalam Satu Baris

Efek fotolistrik dikendalikan oleh pemeriksaan energi:

$$hf \ge \phi$$

Di sini $h$ adalah konstanta Planck dan $f$ adalah frekuensi cahaya. Kondisi ini menyatakan bahwa emisi bergantung pada energi setiap foton, bukan hanya pada seberapa terang cahaya secara keseluruhan.

Jika emisi memang terjadi, persamaan fotolistrik Einstein memberikan energi kinetik maksimum:

$$K_{max} = hf - \phi$$

Bagaimana Frekuensi Ambang Berasal dari Fungsi Kerja

Untuk material tertentu, fungsi kerja menentukan frekuensi ambang $f_0$:

$$f_0 = \frac{\phi}{h}$$

Ini adalah frekuensi terendah yang dapat menghasilkan fotoelektron dalam model dasar. Jika $f < f_0$, setiap foton terlalu lemah. Jika $f \ge f_0$, emisi menjadi mungkin.

Itulah sebabnya menaikkan intensitas saja tidak menyelesaikan kasus di bawah ambang. Lebih banyak foton berenergi rendah tetap tidak memenuhi kebutuhan energi untuk satu elektron.

Contoh Soal: Apakah Cahaya Ini Dapat Melepaskan Elektron?

Misalkan sebuah logam memiliki fungsi kerja $\phi = 2.3\ \mathrm{eV}$.

Pertama, ubah fungsi kerja ke joule, karena $h$ biasanya diberikan dalam satuan SI:

$$\phi = 2.3\ \mathrm{eV} \approx 2.3 \times 1.602 \times 10^{-19}\ \mathrm{J} = 3.68 \times 10^{-19}\ \mathrm{J}$$

Sekarang cari frekuensi ambangnya:

$$f_0 = \frac{\phi}{h} \approx 5.56 \times 10^{14}\ \mathrm{Hz}$$

Sekarang misalkan cahaya datang memiliki frekuensi $7.50 \times 10^{14}\ \mathrm{Hz}$. Frekuensi itu berada di atas ambang, jadi emisi mungkin terjadi.

Energi foton yang bersesuaian adalah

$$E = hf \approx 4.97 \times 10^{-19}\ \mathrm{J} \approx 3.10\ \mathrm{eV}$$

sehingga energi kinetik maksimumnya adalah

$$K_{max} = 3.1\ \mathrm{eV} - 2.3\ \mathrm{eV} = 0.8\ \mathrm{eV}$$

Inti pentingnya adalah urutan penalarannya:

1. Periksa apakah cahaya berada di atas ambang.
2. Baru kemudian kurangi dengan fungsi kerja.

Apa yang Bukan Arti Fungsi Kerja

Fungsi kerja bukanlah energi total dalam berkas cahaya. Ini juga bukan energi rata-rata dari banyak foton. Fungsi kerja adalah energi minimum yang dibutuhkan satu elektron untuk lepas dari permukaan tersebut.

Besaran ini juga tidak sama untuk setiap material. Material yang berbeda memiliki nilai $\phi$ yang berbeda, sehingga cahaya yang sama dapat melepaskan elektron dari satu permukaan tetapi tidak dari permukaan lain.

Kesalahan Umum dalam Soal Efek Fotolistrik

Menganggap kecerahan sebagai faktor penentu

Kecerahan terutama mengubah berapa banyak foton yang datang setiap detik. Kondisi ambang bergantung pada energi setiap foton, yang ditentukan oleh frekuensi.

Menggunakan $K_{max} = hf - \phi$ sebelum memeriksa ambang

Jika $hf < \phi$, model dasar memprediksi tidak ada fotoelektron. Kesimpulan yang benar adalah "tidak ada emisi", bukan energi kinetik negatif.

Lupa bahwa material berpengaruh

Frekuensi ambang bukan konstanta universal. Nilainya berubah karena fungsi kerja berubah dari satu material ke material lain.

Mencampur satuan tanpa memeriksa

Jika Anda menggunakan $h$ dalam $\mathrm{J \cdot s}$, maka $\phi$ harus dalam joule. Jika Anda mempertahankan energi dalam elektron-volt, pastikan bagian perhitungan lainnya konsisten.

Kapan Anda Menggunakan Fungsi Kerja

Fungsi kerja muncul setiap kali soal menanyakan apakah cahaya dapat melepaskan elektron dari suatu permukaan. Konsep ini sangat penting dalam efek fotolistrik, soal potensial henti, dan pembahasan pengantar tentang mengapa cahaya berperilaku sebagai foton diskret dalam konteks ini.

Frasa pemicu yang bagus adalah versi dari "cahaya mengenai permukaan logam dan elektron dipancarkan." Itu biasanya menjadi tanda bahwa Anda harus membandingkan $hf$ dengan $\phi$ terlebih dahulu.

Coba Satu Kasus Lagi

Coba versi Anda sendiri dengan logam yang sama tetapi frekuensi $5.08 \times 10^{14}\ \mathrm{Hz}$. Karena nilai itu berada di bawah frekuensi ambang, hasilnya adalah tidak ada fotoelektron yang dipancarkan.

Jika Anda ingin mengeksplorasi kasus lain, ubah fungsi kerja material atau frekuensi cahayanya lalu ulangi pemeriksaan dua langkah yang sama: ambang terlebih dahulu, energi kinetik kemudian.