Contoh Soalan Membincangkan Kesan Fotoelektrik
Kesan fotoelektrik ialah fenomena fizikal yang menggambarkan pancaran elektron dari permukaan bahan apabila cahaya atau sinaran elektromagnet mengenainya. Penyelidikan yang dijalankan oleh Albert Einstein pada awal abad ke-20 memainkan peranan penting dalam menjelaskan fenomena ini dan membawa kepada penerimaan teori kuantum cahaya. Artikel ini akan membincangkan beberapa contoh masalah yang berkaitan dengan kesan fotoelektrik berserta penjelasan terperinci tentang penyelesaiannya.
Teori Asas
Sebelum kita beralih kepada contoh masalah, mari kita kaji semula beberapa konsep asas yang berkaitan dengan kesan fotoelektrik:
1. Tenaga foton: Tenaga foton diberikan oleh persamaan \( E = h \nu \), dengan \( h \) ialah pemalar Planck (\( h \approx 6.626 \times 10^{-34} \) Js) dan \( \nu \) ialah frekuensi cahaya.
2. Fungsi kerja (\( \phi \)): Fungsi kerja ialah tenaga minimum yang diperlukan untuk menyingkirkan elektron daripada permukaan bahan.
3. Tenaga kinetik elektron: Elektron yang dilepaskan mempunyai tenaga kinetik yang diberikan oleh persamaan \( KE = h \nu – \phi \).
Contoh Soalan 1
soalan
Sebuah kepingan logam mempunyai fungsi kerja \( 4.5 \) eV. Cahaya dengan panjang gelombang \( 200 \) nm menyinari kepingan tersebut. Tentukan:
1. Tenaga foton yang diserap oleh elektron.
2. Adakah elektron akan dibebaskan daripada permukaan logam?
3. Jika ya, apakah tenaga kinetik maksimum elektron yang dibebaskan?
Penyelesaian
1. Kira tenaga foton (\( E \))
\[
E = \frac{hc}{\lambda}
\]
Di mana \( h \) ialah pemalar Planck, \( c \) ialah halaju cahaya (\( c \approx 3 \times 10^8 \) m/s), dan \( \lambda \) ialah panjang gelombang cahaya.
\[
E = \frac{6.626 \times 10^{-34} \text{ Js} \times 3 \times 10^8 \text{ m/s}}{200 \times 10^{-9} \text{ m}}
\]
\[
E = \frac{1.9878 \times 10^{-25} \text{ Js}}{200 \times 10^{-9} \text{ m}}
\]
\[
E = 9.939 \times 10^{-19} \text{ J}
\]
Untuk menukar kepada eV, gunakan \( 1 \text{ eV} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ J} \).
\[
E = \frac{9.939 \times 10^{-19} \text{ J}}{1.602 \times 10^{-19} \text{ J/eV}}
\]
\[
E \lebih kurang 6.2 \text{ eV}
\]
2. Periksa sama ada elektron akan dibebaskan
Oleh kerana tenaga foton (6.2 eV) adalah lebih besar daripada fungsi kerja (4.5 eV), elektron akan dibebaskan.
3. Kira tenaga kinetik maksimum elektron
\[
KE = E – \phi = 6.2 \text{ eV} – 4.5 \text{ eV} = 1.7 \text{ eV}
\]
Contoh Soalan 2
soalan
Cahaya dengan frekuensi \( 1.2 \times 10^{15} \) Hz menyinari permukaan logam yang mempunyai fungsi kerja \( 3 \) eV. Tentukan:
1. Tenaga foton yang diserap oleh elektron.
2. Adakah elektron akan dibebaskan daripada permukaan logam?
3. Jika ya, apakah tenaga kinetik maksimum elektron yang dibebaskan?
Penyelesaian
1. Kira tenaga foton (\( E \))
\[
E = h \nu = 6.626 \times 10^{-34} \text{ Js} \times 1.2 \times 10^{15} \text{ Hz}
\]
\[
E = 7.9512 \times 10^{-19} \text{ J}
\]
Penukaran kepada eV:
\[
E = \frac{7.9512 \times 10^{-19} \text{ J}}{1.602 \times 10^{-19} \text{ J/eV}}
\]
\[
E \lebih kurang 4.97 \text{ eV}
\]
2. Periksa sama ada elektron akan dibebaskan
Oleh kerana tenaga foton (4.97 eV) adalah lebih besar daripada fungsi kerja (3 eV), elektron akan dibebaskan.
3. Kira tenaga kinetik maksimum elektron
\[
KE = E – \phi = 4.97 \text{ eV} – 3 \text{ eV} = 1.97 \text{ eV}
\]
Contoh Soalan 3
soalan
Cahaya UV dengan panjang gelombang \( 120 \) nm mengenai permukaan logam yang mempunyai fungsi kerja \( 2.2 \) eV. Kira:
1. Tenaga foton dalam eV.
2. Adakah elektron akan dibebaskan daripada permukaan logam?
3. Jika ya, apakah tenaga kinetik maksimum elektron yang dibebaskan?
Penyelesaian
1. Kira tenaga foton (\( E \))
\[
E = \frac{hc}{\lambda}
\]
\[
E = \frac{6.626 \times 10^{-34} \text{ Js} \times 3 \times 10^8 \text{ m/s}}{120 \times 10^{-9} \text{ m}}
\]
\[
E = \frac{1.9878 \times 10^{-25} \text{ Js}}{120 \times 10^{-9} \text{ m}}
\]
\[
E = 1.6565 \times 10^{-18} \text{ J}
\]
Penukaran kepada eV:
\[
E = \frac{1.6565 \times 10^{-18} \text{ J}}{1.602 \times 10^{-19} \text{ J/eV}}
\]
\[
E \lebih kurang 10.34 \text{ eV}
\]
2. Periksa sama ada elektron akan dibebaskan
Oleh kerana tenaga foton (10.34 eV) adalah lebih besar daripada fungsi kerja (2.2 eV), elektron akan dibebaskan.
3. Kira tenaga kinetik maksimum elektron
\[
KE = E – \phi = 10.34 \text{ eV} – 2.2 \text{ eV} = 8.14 \text{ eV}
\]
Kesimpulannya
Fenomena kesan fotoelektrik boleh digambarkan melalui pelbagai contoh masalah di mana kita mengira tenaga foton, memeriksa sama ada elektron boleh dikeluarkan, dan mengukur tenaga kinetik maksimum elektron yang dikeluarkan. Dalam menyelesaikan setiap masalah, kita perlu berhati-hati dengan unit fizikal dan penukaran antara unit (contohnya, dari joule kepada elektronvolt). Pemahaman yang kukuh dan amalan yang sesuai akan membantu kita menguasai konsep asas kesan fotoelektrik, yang merupakan tonggak penting dalam fizik kuantum.
