Apabila cahaya berfrekuensi cukup tinggi menyinari permukaan logam, elektron tersingkir daripadanya. Inilah kesan fotoelektrik. Tekaannya ialah apa yang menentukan sama ada elektron dipancarkan.
Eksperimen menunjukkan bahawa di bawah frekuensi ambang tertentu, tiada elektron keluar langsung, tidak kira secerah mana cahaya atau selama mana anda menunggu. Di atas frekuensi itu, elektron dipancarkan sebaik sahaja cahaya mengenainya. Gambaran gelombang tidak dapat menjelaskan ini, kerana gelombang yang lebih cerah sepatutnya sentiasa membekalkan lebih banyak tenaga akhirnya.
Penjelasannya ialah cahaya tiba dalam pakej tenaga kecil yang dipanggil foton, dan tenaga setiap foton bergantung pada frekuensi. Satu foton memberikan tenaganya kepada satu elektron; jika tenaga itu terlalu kecil, elektron tidak dapat terlepas, walau berapa banyak foton tiba. Ini bukti kuat bagi sifat zarah cahaya.
Dalam SPM, anda patut memerihalkan kesan fotoelektrik dan menggunakannya sebagai bukti bahawa cahaya terkuantum menjadi foton.
Salah faham biasa
- Menjadikan cahaya lebih cerah akhirnya akan tetap menyingkirkan elektron -> Di bawah frekuensi ambang tiada elektron dipancarkan, walau secerah atau selama mana cahaya.
- Elektron keluar seketika selepas cahaya dihidupkan -> Di atas frekuensi ambang, pancaran adalah serta-merta.
- Kesan fotoelektrik membuktikan cahaya hanya gelombang -> Ia bukti bagi sifat zarah cahaya, sebagai pakej tenaga yang dipanggil foton.
Fizik di sebaliknya
Kesan fotoelektrik ialah pemancaran elektron daripada permukaan logam apabila cahaya berfrekuensi cukup tinggi menyinarinya. Setiap elektron yang tersingkir dipanggil fotoelektron.
Peraturan utamanya ialah cahaya menyampaikan tenaga dalam paket yang dipanggil foton, masing-masing membawa tenaga E = hf, dengan h ialah pemalar Planck, 6.63 × 10⁻³⁴ J s, dan f ialah frekuensi dalam hertz (Hz).
Satu foton memberikan semua tenaganya kepada satu elektron. Untuk terlepas, elektron mesti diberi sekurang-kurangnya fungsi kerja W bagi logam itu.
Tenaga lebihan menjadi tenaga kinetik maksimum elektron, jadi persamaan fotoelektrik Einstein ialah hf = W + ½mv². Di bawah frekuensi ambang f₀ = W/h, tiada elektron boleh terlepas.
Baris kerja: bagi cahaya berfrekuensi f = 1.0 × 10¹⁵ Hz, setiap foton membawa E = hf = 6.63 × 10⁻³⁴ J s × 1.0 × 10¹⁵ Hz = 6.63 × 10⁻¹⁹ J. Jika fungsi kerja lebih kecil daripada ini, elektron dipancarkan serta-merta.
Lihat dalam kehidupan harian
Pintu automatik dan lampu sering bergantung pada fotosel: cahaya yang jatuh pada permukaan peka membebaskan elektron dan membenarkan arus kecil mengalir, dan apabila badan anda menghalang alur cahaya, arus terhenti lalu pintu terbuka. Tindak balasnya serta-merta kerana foton sama ada mempunyai tenaga cukup atau tidak; tiada penantian untuk gelombang terkumpul.
Sel suria berfungsi atas dasar yang sama. Foton dalam cahaya matahari menyerahkan tenaganya kepada elektron dalam sel, membebaskannya untuk mengalir sebagai arus elektrik yang mengecas bateri atau menghidupkan kalkulator.
Cahaya berfrekuensi lebih tinggi dalam alur itu lebih berkesan membebaskan elektron berbanding jumlah cahaya berfrekuensi rendah yang sama.
Kamera televisyen lama dan meter cahaya dalam fotografi menggunakan permukaan fotopancaran serupa. Dalam setiap kes, peranti bertindak balas terhadap frekuensi dan bilangan foton yang tiba, iaitu tepat perlakuan yang diramal oleh kesan fotoelektrik dan tidak dapat dijelaskan oleh gambaran gelombang licin.
Bagaimana ia muncul dalam SPM
Dalam Kertas 2 Fizik SPM (4531), kata perintah huraikan digunakan bagi kesan fotoelektrik: huraikan bagaimana elektron dipancarkan apabila cahaya melebihi frekuensi ambang mengenai logam, dan huraikan eksperimen yang menunjukkannya. Anda juga diminta terangkan mengapa model gelombang gagal dan mengapa kesan ini menyokong sifat zarah cahaya.
Soalan berstruktur meminta anda menyatakan apa itu foton, mengaitkan tenaga foton dengan frekuensi melalui E = hf, dan menyelesaikan masalah menggunakan persamaan fotoelektrik Einstein untuk mencari fungsi kerja, frekuensi ambang atau tenaga kinetik maksimum, dengan semua kuantiti dalam unit SI.
Standard kandungan berjiran meliputi kuantum tenaga, takrif foton, serta aplikasi seperti sel suria dan fotosel. Pemeriksa menjangkakan anda mengaitkan pemancaran serta-merta dan kewujudan frekuensi ambang terus kepada idea foton.
Sumber: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)