Thread by @Thaza_Kun

Memandangkan ada warganet yang sedang bertengkarah perihal pengenalan Fizik Kuantum di peringkat sekolah, izinkan aku mengambil kesempatan ini untuk bercerita tentang kesan fotoelektrik serta kepentingannya dalam Fizik Kuantum.

Ini adalah Thread

Kesan Fotoelektrik ialah suatu kejadian bila elektron melompat keluar daripada permukaan logam bila disinarkan cahaya. Asalnya tiada apa yang pelik dalam kejadian ini. Kita sudah tahu bahawa cahaya sifatnya ialah membawa tenaga lalu elektron-elektron itu menyerap tenaga itu.

Benda yang pelik timbul bila ada satu ujikaji ini dijalankan oleh Phillip Lenard pada tahun 1902 dalam makalahnya "Tentang Kesan Fotoelektrik". Beliau mendapati bahawa tenaga kinetik elektron2 ini tidak bergantung kepada keamatan cahaya, tetapi pada frekuensinya.

Kenapa hal ini pelik? Ia pelik sebab menurut pemahaman cahaya pada waktu tersebut (model gelombang), tenaga cahaya adalah bergantung kepada keamatannya. Lagi kuat keamatan cahaya, lagi teranglah cahayanya, maka patutnya lebih banyak tenaga.

Malah, jika kita kembangkan lagi model ini, ada tiga hal yang boleh kita jangkakan:

1) Tenaga yang diterima elektron adalah bergantung kepada keamatannya.

2) Jika tenaga cahayanya tidak mencukupi, tunggu sahaja beberapa ketika lalu jumlah tenaganya akan cukup.

Perkara (2) ini boleh dibayangkan seperti suatu air dari paip dan baldi yang perlu diisi. Jika air paipnya kuat, baldi akan terisi dengan sekejap. Jika air paipnya lemah, baldinya tetap akan terisi tetapi perlukan lebih banyak masa.

(3) Frekuensi tidak memainkan peranan dalam jumlah tenaga kinetik elektron tersebut.

Warna merah dan warna ungu akan membekalkan tenaga yang sama jika keamatan cahayanya sama.

Namun, dalam ujikaji kesan fotoelektrik, kesemua jangkaan ini meleset!

1) Keamatan hanya memainkan peranan mengubah jumlah elektron (berkait dengan arus) yang melompat keluar dan bukan tenaganya (berkait dengan voltan)!

2) Tenaga tidak boleh dicukupkan melalui masa. Jika tenaga yang dibekalkan mencukupi, ia akan melompat keluar serta merta. Jika bekalannya tidak cukup, tunggulah sampai kiamat pun, ia tidak akan melompat keluar.

3) Frekuensi cahaya didapati mempengaruhi tenaga kinetik elektron.

Ahli fizik pada waktu itu sangat bingung tentang kejadian ini.

Albert Einstein adalah antara ahli fizik yang cuba menyelesaikan masalah ini. Beliau ada teringat tentang suatu kejadian yang serupa dalam kejadian Sinaran Jasad Hitam.

Dalam Sinaran Jasad Hitam, sinaran yang dicerap tidak menepati model cahaya yang wujud pada waktu itu. Pada tahun 1900, Max Planck menerbitkan suatu persamaan yang menepati data cerapan. Namun, persamaan tersebut memerlukan kita menganggap cahaya itu berketul-ketul.

Ketulan-ketulan ini disebut "kuanta". Max Planck tidak suka akan idea kuanta ini lalu beliau menafikan kewujudan kuanta cahaya tersebut. Baginya, ia hanyalah mainan matematik dan tidak mewakili alam nyata.

Pada tahun 1905, Einstein menggunakan idea kuanta Planck ini utk menerangkan beberapa kejadian lain, termasuk Kesan Fotoelektrik tadi.

Makalahnya, (terj. English) boleh dibaca melalui wikisource.

Daripada idea kuanta Planck ini, Einstein telah terbitkan suatu persamaan untuk kesan fotoelektrik. Persamaan ini mengaitkan tenaga kinetik elektron dengan tenaga yang dibekalkan kuanta cahaya (iaitu foton). Persamaan ini hanyalah natijah dari Prinsip Keabadian Tenaga.

Fungsi kerja ialah tenaga yang diperlukan untuk membebaskan diri elektron daripada logam tersebut. Elektron memerlukan tenaga untuk membebaskan dirinya daripada atom. Begitu juga ia perlukan tenaga untuk tiba ke permukaan logam tersebut sebelum melompat keluar.

Ia boleh dibayangkan seperti bila kita ingin berlari tetapi jalannya sesak. Pada mulanya tenaga digunakan untuk mengharungi kesesakan orang, kemudian lebihan tenaga digunakan untuk berlari selaju-lajunya bila jalan sudah kosong.

Persamaan ini disahkan oleh Robert Millikan pada tahun 1914 melalui pengujikajian.

Kita dapat lihat di sini bahawa tenaga sekuanta cahaya itu bergantung kepada frekuensi sepenuhnya. Pemalar h itu adalah pemalar Planck.

Maka kalau tenaga cahaya ditentukan oleh frekuensi, apa pula makna keamatan cahaya dalam gambaran kuanta ini?

Dalam model kuanta, keamatan cahaya itu merujuk kepada jumlah foton yang dipancarkan. Di sini aku lakarkan perbezaan makna Keamatan dan Frekuensi dalam dua model berbeza.

Namun, jika jumlah foton meningkat, maknanya banyaklah tenaga yang diterima oleh logam tadi, kan! Maka kenapa tenaga kinetik elektron tidak meningkat berdasarkan keamatan?

Sebabnya, setiap elektron hanya boleh menerima satu foton sahaja.

Jika logam itu dibanjirkan dengan jumlah foton yang banyak, banyak elektron yang akan menerima tenaga. Maka, keamatan cahaya hanya menyumbang kepada jumlah elektron (berkait dgn arus) dan bukannya tenaga elektron (berkait dgn voltan).

Disebabkan ahli Fizik sedar bahawa cahaya boleh menunjukkan sifat kegelombangan (Ujikaji Dwicelah Young) dan sifat kezarahan (Ujikaji Kesan Cahaya), mereka mengakui akan Kedualan Gelombang-Zarah cahaya.

Inilah asas kepada Fizik Kuantum yang kita kenali sekarang.

Yang lebih menarik lagi, tiga watak yang disebut di sini menang Hadiah Nobel kerana kerja2 yang berkait:

Philipp Lenard (1905) "untuk kerja2nya berkaitan sinar katod"

Albert Einstein (1921) "untuk sumbangannya dalam Fizik Teori, terutamanya tentang hukum kesan fotoelektrik"

Pada waktu itu, mereka masih tengah berbalah tentang Kerelatifan Einstein dan ada tengkarah lain yang berkait dengannya maka mereka tidak mahu mengakui teorinya ini. Namun, mereka mengakui kebijaksanaan beliau dalam menyelesaikan masalah Fotoelektrik ini.

Sebab itulah ada "terutamanya" di situ.

Robert Millikan (1923) "untuk kerjanya berkaitan cas asasi elektrik dan berkaitan kesan fotoelektrik"

Kalau ada yang masih ingat, Robert Millikan inilah yg buat ujikaji tentang cas elektrik menggunakan titisan minyak (oil drop experiment)

Ralat:

Ujikaji Kesan Cahaya itu sebenarnya Ujikaji Kesan Fotoelektrik

https://twitter.com/Thaza_Kun/status/1178865741967159298?s=19

Daftar Istilah:

Keamatan = Intensity
Ujikaji Dwicelah Young = Young's Double Slit Experiment
Sinaran Jasad Hitam = Black Body Radiation
Kedualan Gelombang-Zarah = Wave-Particle Duality

#PetuaTerjemah

Thread-Thread lain berkaitan Sains boleh didapati di sini:

https://twitter.com/Thaza_Kun/status/1003474385536106496?s=19