3.2 MINIT MESY KURIKULUM KALI KE-4 2020 (Utk pengesahan minit)

Standard kandungan Disemak oleh: Cikgu Izzat Zubir
7.1 Teori Kuantum Cahaya
Standard pembelajaran
7.2 Kesan Fotoelektrik
7.3 Teori Fotoelektrik Einstein • Terangkan permulaan teori kuantum
• Terangkan kuantum tenaga
• Terangkan kedualan gelombang-zarah
• Terangkan konsep foton
• Selesaikan masalah dengan menggunakan:

i. tenaga foton, E =hf
ii. kuasa, P =nhf

• Terangkan kesan fotoelektrik
• Kenal pasti empat ciri fotoelektrik kesan yang tidak

dapat dijelaskan menggunakan teori gelombang

• Nyatakan fungsi kerja minimum yang diperlukan
oleh logam untuk mengeluarkan elektron
menggunakan Persamaan Einstein

• Terangkan frekuensi ambang, fo dan fungsi kerja, W
• Tentukan fungsi kerja logam, W =hfo
• Selesaikan masalah yang melibatkan persamaan

Einstein untuk kesan fotoelektrik.
• Terangkan penghasilan arus fotoelektrik dalam litar

fotosel
• Terangkan aplikasi kesan fotoelektrik

This work is licensed under the Creative Commons Attribution NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
Sebilangan besar gambar, vektor atau rajah dalam modul ini sama ada kandungan asli atau tersedia dari Freepik.com

1

7.1 Kuantum Teori Cahaya

Jasad hitam • Jasad unggul yang mampu menyerap semua sinaran elektromagnetik yang jatuh

padanya.
• Boleh memancarkan sinaran termal bergantung pada suhunya.

Pemancar jasad hitam sinaran elektromagnet yang merangkumi cahaya tampak
dan sinaran yang tidak dapat dilihat oleh mata manusia
Objek memancarkan sinaran seperti sinaran inframerah.
elektromagnetik mengikut suhunya

Pencetusan Idea Teori Fizik Kuantum

Fizik klasik • Bila suhu meningkat, elektron bergetar dengan tenaga tinggi dan

Keamatan sinaran menghasilkan lebih banyak cahaya.
• Frekuensi getaran elektron juga tidak mempunyai had.
• Tenaga cahaya yang dihasilkan mencapai nilai yang tidak terhad.

Hasil eksperimen • Hasil eksperimen tidak konsisten dengan teori

fizik klasik.
• Keamatan tidak terus meningkat apabila

frekuensi gelombang meningkat.
• "UV catastrophe"

Panjang gelombang
Teori Klasik

Sifat zarah cahaya Eksperimen dwicelah Model Atom Dalton Penemuan elektron

Teori Kuantum

Kuantisasi tenaga Kesan fotoelektrik Garisan spektrum / Sifat kedualan
(quantization of energy) model atom gelombang-zarah

Sumber imej: Google.com

2

Kuantum Tenaga Spektrum garis

Spektrum selanjar

• Dihasilkan oleh penyerakan cahaya putih • Dihasilkan oleh atom yang teruja
• Setiap elemen menghasilkan spektrum dengan
oleh prisma
• Tidak ada jurang pemisah antara warna siri garis tersendiri (λ dan f yang unik)

Kuantum tenaga selanjar
• paket tenaga diskrit dan bukan tenaga selanjar.
• bergantung pada frekuensi gelombang. kuantum

Foton: kuantum tenaga cahaya yang boleh dipindahkan. Tunggal - kuanta
Majmuk - kuantum
c=fλ f = c
λ E : tenaga foton
h : pemalar Planck (6.63 x 10 -34 Js)
E = hf E = hc f : frekuensi gelombang cahaya
λ c : kelajuan cahaya dalam vakum (3.0 x 10 8 ms-1)
P : kuasa
guna bila ada f guna bila ada λ n : bilangan foton sesaat

P = nhf n h c
λ
P =

CONTOH

Diberi frekuensi gelombang cahaya adalah 6.0 x 10 14 Hz dan kuasa sumbernya ialah 0.3 W. Hitung;

a. tenaga foton. b. bilangan foton yang dipancarkan sesaat.

E = hf P = nhf
= (6.63 x 10 -34) (6.0 x 10 14) 0.3 = n (6.63 x 10 -34) (6.0 x 10 14)
= 3.98 x 10 -19 J n = 7.54 x 10 17 s-1

3

Latihan

Pemalar Planck = 6.63 x 10-34 Js; jisim elektron = 9.11 x 10-31 kg;
1eV = 1.6 x 10-19J; kelajuan cahaya dalam vakum =3.0 x 10 8 ms-1

a. Diberi frekuensi gelombang cahaya adalah 7.5 x 10 14 Hz. Hitungkan tenaga foton.

b. Diberi panjang gelombang gelombang cahaya adalah 300nm. Hitung tenaga foton.

c. Lampu 40 W memancarkan cahaya biru dengan panjang gelombang 4.0 × 10–7 m. Berapakah
bilangan foton yang dipancarkan sesaat?

d. Sinar cahaya laser mempunyai kuasa 7.00 mW. Frekuensi sumber cahaya adalah 6.5 x 10 14 Hz.
Kira bilangan foton sesaat.

e. Sumber cahaya hijau dengan panjang gelombang 550nm dipancarkan. Berapakah kuasa output
sumber cahaya jika 5.0 x 1018 foton dipancarkan sesaat?

4

Sifat Kedualan Gelombang-Zarah

• Sifat gelombang Melakukan pembelauan dan interferens
• Sifat zarah Mempunyai tenaga kinetik dan momentum

Hipotesis Louis de Broglie - semua zarah dapat menunjukkan ciri gelombang.
(dapat dibuktikan secara eksperimen dengan zarah dengan jisim kecil seperti elektron)

ℎ p = mv m↑λ↓ λ : panjang gelombang
λ = h : pemalar Planck (6.63 x 10 -34 Js)
ℎ p : momentum
λ = m : jisim
v : halaju
= 1 2 ℎ K : tenaga kinetik
2 λ=

2

Eksperimen

1 • Corak pembelauan cahaya laser 2 • Corak pembelauan elektron

merah melalui lubang jarum melalui lapisan grafit nipis
• Elektron (zarah) menunjukkan
• Cahaya (gelombang)
sifat gelombang
menunjukkan sifat gelombang

Aplikasi: Mikroskop elektron

3 4 • Panjang gelombang elektron de Broglie lebih

Darah di bawah Darah di bawah pendek daripada panjang gelombang cahaya
mikroskop cahaya mikroskop elektron
tampak
• Elektron akan kurang terbelau berbanding

cahaya
• Mikroskop elektron mempunyai pembesaran

dan resolusi yang lebih tinggi daripada

mikroskop optik

1. Epzcaw, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons
2. Source: Lambda scientific systems (https://lambdasys.com/uploads/201601/20160127-120025495257.jpg)
3. U.S. Air Force photo/Airman 1st Class Laura Max., Public domain, via Wikimedia Commons
4. National Cancer Institute - Bruce Wetzel and Harry Schaefer (Photographers)

5

Latihan

Pemalar Planck = 6.63 x 10-34 Js; jisim elektron = 9.11 x 10-31 kg;
1eV = 1.6 x 10-19J; kelajuan cahaya dalam vakum = 3.0 x 10 8 ms-1

a. Sinar cahaya laser mempunyai panjang gelombang 600 nm. Hitungkan momentum foton dalam
pancaran laser.

b. Diberi frekuensi gelombang cahaya adalah 7.5 x 10 14 Hz. Kira momentum.

c. Diberi bahawa panjang gelombang de Broglie elektron ialah 1.23 nm. Kira;
i. momentum
ii. halaju
iii. tenaga kinetik

d. Berapakah tenaga kinetik yang dimiliki oleh satu elektron apabila panjang gelombang
de Broglie ialah 400 nm?

e. Diberi denyutan laser dengan kuasa 60 mW mempunyai panjang gelombang 800 nm.
i. Berapakah momentum satu foton?
ii. Berapa tenaga yang dibawa oleh satu foton?
iii. Berapakah bilangan foton sesaat?
iv. Berapakah jumlah momentum yang dipindahkan oleh denyutan laser sesaat?

f. Seorang pelajar membedil pasir dengan jisim 2.0 x 10 -9 kg melalui celah kecil dengan laju 0.5 ms-1.
Ukuran celah diberikan sebagai 0.5 mm. Dengan mengandaikan bahawa pasir cukup kecil untuk
melepasi celah;
i. Anggarkan panjang gelombang de Broglie pasir.
ii. Adakah corak pembelauan diperhatikan semasa pasir melalui celah? Terangkan jawapan anda.

6

7.2 Kesan Fotoelektrik

Elektron dipancar keluar apabila suatu
permukaan logam disinari oleh alur cahaya yang
mempunyai frekuensi tertentu

Litar sel foto

Anod Katod 1. Alur cahaya menyinari permukaan logam peka

cahaya (katod)

2. Elektron akan dipancarkan dari permukaan logam
(fotoelektron)

3. Fotoelektron tertarik pada anod (positif)

4. Arus dihasilkan

5. Milliammeter menunjukkan nilai arus.

Ciri-ciri kesan fotoelektrik
1. Semakin tinggi frekuensi foton, semakin tinggi tenaga kinetik fotoelektron yang dipancarkan dari

permukaan logam.

2. Frekuensi ambang, f0: Frekuensi minimum cahaya yang diperlukan untuk memancarkan elektron
dari permukaan logam.

3. Tenaga kinetik fotoelektron tidak bergantung pada keamatan cahaya.

4. Photoelektron dipancarkan serta-merta apabila permukaan logam diterangi cahaya.

fcahaya kurang dari f0 fcahaya melebihi f0
Keamatan cahaya rendah • Tiada kesan fotoelektrik
Keamatan cahaya tinggi • Tiada kesan fotoelektrik • Kesan fotoelektrik berlaku
• Kurang fotoelektron yang

dipancarkan

• Kesan fotoelektrik berlaku
• Lebih banyak fotoelektron yang

dipancarkan

Menentukan Pemalar Planck

I VA

m = ℎ


V 1
VA λ

Va : voltan pengaktifan
e : cas elektron (1.60 x 10–19 C)
c : kelajuan cahaya dalam vakum (3.00 x 108 ms–1)

7

Latihan

Lengkapkan jadual di bawah dengan jawapan yang betul.

Keadaan Kesan fotoelektrik Tenaga kinetik Jumlah fotoelektron
a. ( berlaku / tidak berlaku) fotoelektron yang dikeluarkan
( tinggi / rendah ) ( banyak / sedikit )

b.

c.

d.
e.

f.

f0 = 10 Hz

8

7.3 Fotoelektrik Einstein Teori

Tenaga Elektron E = W + Kmaks
foton bergerak

Elektron dipancarkan hf = W + 1 2
2

Fungsi kerja, W: (nilai W bergantung pada logam) E : tenaga foton
Tenaga minimum yang diperlukan untuk fotoelektron W : fungsi kerja
dipancarkan dari permukaan logam. Kmaks : tenaga kinetik maksimum

Katakan foton mempunyai 10 J tenaga (E). Prinsip keabadian tenaga
Setelah menyinari logam, 3 J digunakan untuk
pancarkan elektron (W). Baki 7 J adalah tenaga Jumlah tenaga sebelum = Jumlah tenaga selepas
kinetik fotoelektron yang dipancarkan (Kmaks ). 10 J = 3 J + 7 J

Tiada kesan Kesan fotoelektrik W = hf0
fotoelektrik berlaku untuk logam A
Logam yang berbeza mempunyai f0 dan W
yang berbeza.
Kecerunan = pemalar Planck
pintasan-y = Frekuensi ambang
pintasan-y = Fungsi kerja

v = f0 λ0

Panjang gelombang ambang, λ 0 :
Panjang gelombang maksimum cahaya yang
diperlukan untuk logam memancarkan
elektron.

CONTOH

Graf di sebelah kanan menunjukkan perubahan dalam Kmaks / J
tenaga kinetik fotoelektron yang dikeluarkan dari logam
untuk frekuensi cahaya yang berbeza.

a. Tentukan ambang frekuensi. 6.0 f / x 1014 Hz
f0 = x - pintasan
f0 = 6.0 x 1014 Hz

b. Kira fungsi kerja dari logam.
W = hf0
= (6.63 x 10-34) (6.0 x 1014)
= 3.98 x 10-19 J

9

Latihan

Pemalar Planck = 6.63 x 10-34 Js; jisim elektron = 9.11 x 10-31 kg;
1eV = 1.6 x 10-19J; kelajuan cahaya dalam vakum =3.0 x 10 8 ms-1

a. Cahaya ungu dengan frekuensi 7.5 × 1014 Hz dipancarkan pada permukaan logam kalsium.
Berapakah tenaga kinetik maksimum fotoelektron yang dipancarkan?
[Fungsi kerja kalsium = 4.60 × 10-19 J]

b. Lampu merah dengan panjang gelombang 700 nm dipancarkan pada permukaan logam kalsium.
Bolehkah kesan fotoelektrik diperhatikan? Tunjukkan jalan kerja anda.
[Fungsi kerja kalsium = 4.60 × 10-19 J]

c. Bahan semikonduktor dalam sebuah sel foto dapat diaktifkan oleh cahaya dengan panjang
gelombang maksimum 1500 nm. Kira;
i. frekuensi ambang
ii. fungsi kerja

d. Tenaga minimum yang diperlukan untuk memancarkan fotoelektron dari permukaan logam
ialah 2.5 eV. Berapakah panjang gelombang ambang logam itu?

Aplikasi kesan fotoelektrik

(Rujuk halaman 244 dan 245 buku teks)

• Sel suria
• Pengesan cahaya pintu automatik
• Sensor imej
• Panel solar ISS

10