Contoh Soal Pembahasan Konsep Foton
Foton adalah partikel elementer yang menjadi dasar dari teori kuantum cahaya. Sebagai kuantum cahaya, foton membawa paket energi yang berkaitan langsung dengan frekuensinya. Konsep ini pertama kali diperkenalkan oleh Albert Einstein pada tahun 1905. Dalam artikel ini, kita akan membahas beberapa contoh soal dan pembahasan mengenai foton untuk memperjelas pemahaman kita tentang topik ini.
Pengertian Dasar Foton
Foton adalah partikel cahaya atau kuanta dari radiasi elektromagnetik. Dalam teori kuantum, foton tidak mempunyai massa diam tetapi memiliki energi dan momentum. Energi dari sebuah foton dapat dihitung menggunakan persamaan yang dikembangkan oleh Max Planck:
\[ E = hf \]
Dimana:
– \( E \) adalah energi foton
– \( h \) adalah konstanta Planck ( \( 6.626 \times 10^{-34} \) Js)
– \( f \) adalah frekuensi cahaya
Hubungan antara energi foton dan panjang gelombang \(\lambda\) dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:
\[ E = \frac{hc}{\lambda} \]
Dimana:
– \( c \) adalah kecepatan cahaya di ruang hampa \( (3 \times 10^8 \) m/s)
Contoh Soal dan Pembahasan
Soal 1: Menghitung Energi Foton
Soal: Sebuah foton memiliki panjang gelombang 500 nm. Hitung energi foton tersebut dalam joule.
Pembahasan:
Pertama, kita konversi panjang gelombang dari nanometer ke meter.
\[ 500 \ \text{nm} = 500 \times 10^{-9} \ \text{m} \]
Menggunakan persamaan energi foton:
\[ E = \frac{hc}{\lambda} \]
Masukkan nilai konstanta Planck ( \( h = 6.626 \times 10^{-34} \) Js) dan kecepatan cahaya \( c = 3 \times 10^8 \ \text{m/s} \):
\[ E = \frac{(6.626 \times 10^{-34} \ \text{Js}) \times (3 \times 10^8 \ \text{m/s})}{500 \times 10^{-9} \ \text{m}} \]
\[ E = \frac{1.9878 \times 10^{-25}}{500 \times 10^{-9}} \]
\[ E = 3.976 \times 10^{-19} \ \text{J} \]
Jadi, energi foton tersebut adalah \( 3.976 \times 10^{-19} \) joule.
Soal 2: Menghitung Frekuensi dari Energi Foton
Soal: Jika sebuah foton memiliki energi \( 2.5 \times 10^{-19} \) joule, berapakah frekuensi cahaya yang dimiliki foton tersebut?
Pembahasan:
Kita menggunakan persamaan dasar energi foton:
\[ E = hf \]
Kita isolasi frekuensi \( f \):
\[ f = \frac{E}{h} \]
Masukkan nilai energi \( E \) dan konstanta Planck \( h \):
\[ f = \frac{2.5 \times 10^{-19} \ \text{J}}{6.626 \times 10^{-34} \ \text{Js}} \]
\[ f = 3.77 \times 10^{14} \ \text{Hz} \]
Jadi, frekuensi cahaya adalah \( 3.77 \times 10^{14} \ \text{Hz} \).
Soal 3: Efek Fotolistrik
Soal: Dalam percobaan efek fotolistrik, sebuah foton dengan energi 4.0 eV mengenai permukaan logam dan melepaskan elektron. Jika fungsi kerja logam tersebut adalah 2.5 eV, hitunglah energi kinetik maksimum elektron yang dilepaskan.
Pembahasan:
Energi foton \( E \) diberikan dalam elektronvolt (eV). Kita bisa langsung menggunakan nilai ini karena fungsi kerja juga dalam eV.
Fungsi kerja (\( W \)) adalah energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam. Energi kinetik maksimum (\( K.E \)) elektron dihitung sebagai selisih antara energi foton dan fungsi kerja:
\[ K.E = E – W \]
Masukkan nilai energi foton \( E = 4.0 \ \text{eV} \) dan fungsi kerja \( W = 2.5 \ \text{eV} \):
\[ K.E = 4.0 \ \text{eV} – 2.5 \ \text{eV} \]
\[ K.E = 1.5 \ \text{eV} \]
Jadi, energi kinetik maksimum elektron yang dilepaskan adalah 1.5 eV.
Soal 4: Panjang Gelombang Dari Frekuensi
Soal: Berapakah panjang gelombang dari foton yang memiliki frekuensi \( 6 \times 10^{14} \ \text{Hz} \)?
Pembahasan:
Menggunakan hubungan antara kecepatan cahaya, frekuensi, dan panjang gelombang:
\[ c = \lambda f \]
Kita isolasi panjang gelombang \( \lambda \):
\[ \lambda = \frac{c}{f} \]
Masukkan nilai kecepatan cahaya \( c = 3 \times 10^8 \ \text{m/s} \) dan frekuensi \( f = 6 \times 10^{14} \ \text{Hz} \):
\[ \lambda = \frac{3 \times 10^8 \ \text{m/s}}{6 \times 10^{14} \ \text{Hz}} \]
\[ \lambda = 5 \times 10^{-7} \ \text{m} \]
\[ \lambda = 500 \ \text{nm} \]
Jadi, panjang gelombang foton tersebut adalah 500 nm.
Soal 5: Energi Foton dalam Spektrum
Soal: Sebuah foton dalam spektrum ultraviolet memiliki panjang gelombang 150 nm. Hitung energi foton tersebut dalam joule dan elektronvolt.
Pembahasan:
Pertama, konversikan panjang gelombang ke meter:
\[ 150 \ \text{nm} = 150 \times 10^{-9} \ \text{m} \]
Menghitung energi foton dalam joule:
\[ E = \frac{hc}{\lambda} \]
Masukkan nilai:
\[ E = \frac{(6.626 \times 10^{-34} \ \text{Js}) \times (3 \times 10^8 \ \text{m/s})}{150 \times 10^{-9} \ \text{m}} \]
\[ E = \frac{1.9878 \times 10^{-25}}{150 \times 10^{-9}} \]
\[ E = 1.3252 \times 10^{-18} \ \text{J} \]
Untuk mengonversi joule ke elektronvolt, kita gunakan 1eV = \( 1.602 \times 10^{-19} \) J:
\[ E \ (\text{eV}) = \frac{1.3252 \times 10^{-18} \ \text{J}}{1.602 \times 10^{-19} \ \text{J/eV}} \]
\[ E \ (\text{eV}) = 8.27 \ \text{eV} \]
Jadi, energi foton ultraviolet adalah \( 1.3252 \times 10^{-18} \ \text{J} \) atau 8.27 eV.
Kesimpulan
Dari berbagai contoh soal dan pembahasan di atas, kita telah menggali lebih dalam tentang karakteristik dan perhitungan yang berkaitan dengan foton. Ini mencakup penghitungan energi berdasarkan panjang gelombang dan frekuensi, serta aplikasi konsep foton dalam efek fotolistrik. Pemahaman tentang konsep foton penting tidak hanya dalam fisika teoritis tetapi juga dalam berbagai aplikasi teknologi modern seperti fotovoltaik, laser, dan sensor cahaya. Dengan latihan yang cukup, memahami konsep-konsep ini akan menjadi lebih mudah dan intuitif.
