Fizik Kuantum — Nota JomSkor

7.1 Teori Kuantum Cahaya Teori Kuantum Cahaya menjelaskan bahawa spektrum elektromagnet adalah selanjar, namun percanggahan dengan teori klasik mengenai keamatan sinaran jasad hitam telah mencetuskan idea kuantum. Tenaga cahaya wujud dalam bentuk paket diskrit yang dikenali sebagai foton, dan semua zarah juga boleh menunjukkan sifat gelombang. 7.2 Kesan Fotoelektrik Kesan fotoelektrik ialah fenomena apabila elektron dipancarkan dari permukaan logam apabila disinari oleh alur cahaya dengan frekuensi tertentu. Elektron yang dipancarkan dikenali sebagai fotoelektron. Fenomena ini menunjukkan percanggahan dengan teori fizik klasik dan membawa kepada perkembangan teori kuantum. 7.3 Teori Fotoelektrik Einstein Pada tahun 1905, Albert Einstein mengemukakan teori fotoelektrik yang berjaya menerangkan ciri-ciri kesan fotoelektrik. Beliau mencadangkan bahawa tenaga cahaya dibawa oleh zarah cahaya, iaitu foton, dan tenaga setiap foton adalah berkadar terus dengan frekuensi cahaya. Tenaga foton ini digunakan untuk membebaskan elektron daripada logam (fungsi kerja) dan selebihnya menjadi tenaga kinetik maksimum fotoelektron.

Fizik · Tingkatan 5

Spektrum Elektromagnet

Spektrum selanjar yang terdiri daripada tujuh jenis gelombang (sinar gama, sinar-X, ultraungu, cahaya tampak, inframerah, gelombang mikro, gelombang radio) yang mempunyai frekuensi dan panjang gelombang yang berbeza.

Jasad Hitam

Jasad unggul yang berupaya menyerap semua sinaran elektromagnet yang jatuh padanya dan memancarkan sinaran termal bergantung pada suhunya.

Kuantum Tenaga dan Foton

Tenaga cahaya wujud dalam bentuk paket tenaga diskrit yang dikenali sebagai foton. Tenaga foton berkadar terus dengan frekuensi gelombang cahaya, di mana $h$ ialah pemalar Planck.

$E = hf$

Kedualan Gelombang-Zarah dan Panjang Gelombang de Broglie

Semua zarah boleh menunjukkan ciri-ciri gelombang. Panjang gelombang de Broglie bagi suatu zarah berkadar songsang dengan momentumnya, $p$, yang juga boleh dinyatakan sebagai hasil darab jisim, $m$, dan halaju, $v$.

$\lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{mv}$

Kesan Fotoelektrik

Fenomena pemancaran elektron dari permukaan logam apabila disinari cahaya dengan frekuensi tertentu.

Fotoelektron

Elektron yang dipancarkan dari permukaan logam akibat kesan fotoelektrik.

Frekuensi Ambang

Frekuensi minimum cahaya yang boleh menghasilkan kesan fotoelektrik pada satu jenis logam. Jika frekuensi cahaya kurang daripada $f_0$, tiada fotoelektron akan dipancarkan.

$f_0$

Ciri-ciri Kesan Fotoelektrik

1. Semakin tinggi frekuensi foton cahaya, semakin tinggi tenaga kinetik fotoelektron. 2. Wujud frekuensi ambang ($f_0$). 3. Tenaga kinetik fotoelektron tidak bergantung pada keamatan cahaya. 4. Fotoelektron dipancar secara serta-merta apabila disinar dengan cahaya (jika $f \ge f_0$).

Tenaga Foton

Tenaga cahaya wujud dalam bentuk paket diskrit yang dikenali sebagai foton, di mana tenaganya berkadar terus dengan frekuensi gelombang cahaya.

$E = hf$

Persamaan Fotoelektrik Einstein

Tenaga foton ($hf$) yang diserap oleh elektron digunakan untuk mengatasi fungsi kerja ($W$) logam dan selebihnya menjadi tenaga kinetik maksimum ($K_{maks}$) fotoelektron yang terpancar.

$hf = W + K_{maks}$

Fungsi Kerja

Tenaga minimum yang diperlukan untuk fotoelektron terlepas dari permukaan logam, di mana $f_0$ ialah frekuensi ambang.

$W = hf_0$

Tenaga Kinetik Maksimum Fotoelektron

Tenaga kinetik maksimum fotoelektron adalah berkadar terus dengan perbezaan antara frekuensi cahaya yang disinari dan frekuensi ambang logam.

$\frac{1}{2}mv_{maks}^2 = h(f - f_0)$

Contoh soalan

Sebuah lampu 50 W memancarkan cahaya merah dengan panjang gelombang, $\lambda = 7.0 \times 10^{-7}$ m. Berapakah bilangan foton yang dipancarkan per saat?

Kenal pasti masalah: Bilangan foton yang dipancarkan per saat, $n$.
Kenal pasti maklumat yang diberikan: Panjang gelombang, $\lambda = 7.0 \times 10^{-7}$ m; Kuasa, $P = 50$ W; Pemalar Planck, $h = 6.63 \times 10^{-34}$ J s; Laju cahaya dalam vakum, $c = 3.00 \times 10^8$ m s$^{-1}$.
Kenal pasti rumus yang boleh digunakan: $P = nhf = \frac{nhc}{\lambda}$. Maka, $n = \frac{P\lambda}{hc}$.
Selesaikan masalah secara numerikal: Gantikan nilai ke dalam rumus $n = \frac{50 \times 7.0 \times 10^{-7}}{6.63 \times 10^{-34} \times 3.00 \times 10^8}$.

$1.76 \times 10^{20}$ s$^{-1}$

Menganggap keamatan cahaya yang lebih tinggi akan menghasilkan fotoelektron dengan tenaga kinetik yang lebih tinggi.
Mengabaikan kewujudan frekuensi ambang ($f_0$) dan beranggapan kesan fotoelektrik boleh berlaku pada sebarang frekuensi.
Percaya bahawa terdapat kelewatan masa untuk pemancaran fotoelektron jika keamatan cahaya rendah (bertentangan dengan pemancaran serta-merta).
Tidak memahami bahawa tenaga kinetik fotoelektron bergantung pada frekuensi cahaya, bukan keamatan.

Fahami dan ingat empat ciri utama kesan fotoelektrik yang diperoleh secara eksperimen.
Bezakan antara peranan frekuensi dan keamatan cahaya dalam kesan fotoelektrik.
Jelaskan konsep frekuensi ambang ($f_0$) dengan tepat.
Mampu menerangkan mengapa teori klasik gagal menjelaskan ciri-ciri kesan fotoelektrik.

Spektrum elektromagnet
Jasad hitam
Kuantum tenaga
Foton
Pemalar Planck
Kedualan gelombang-zarah
Panjang gelombang de Broglie
Frekuensi
Panjang gelombang
Kesan fotoelektrik
Fotoelektron
Frekuensi ambang
Sel foto
Katod
Anod
Miliammeter
Teori Fotoelektrik Einstein
Fungsi kerja
Tenaga kinetik maksimum fotoelektron
Panjang gelombang ambang