Kelas XII - Fisika - KD 3.8 [PDF]

Citation preview

DAFTAR ISI DAFTAR ISI ............................................................................................................................................... i Penyusun ................................................................................................................................................ ii Peta Konsep ............................................................................................................................................1 Glosarium ...............................................................................................................................................1 Pendahuluan ...........................................................................................................................................1 a. Identitas Modul .................................................................................................................................1 b. Kompetensi Dasar ..............................................................................................................................1 c. Deskripsi ............................................................................................................................................2 d. Petunjuk Penggunaan Modul .............................................................................................................2 e. Materi Pembelajaran .........................................................................................................................2 Kegiatan Pembelajaran 1 ........................................................................................................................3 a. Tujuan ................................................................................................................................................3 b. Uraian Materi ....................................................................................................................................3 1.



Radiasi Benda Hitam ..................................................................................................................3



2.



Hukum Pergeseran Wien dan Bencana Ultraviolet ...............................................................5



3.



Teori Kuantum Planck................................................................................................................7



c. Rangkuman Materi ............................................................................................................................9 d. Latihan Soal .....................................................................................................................................10 e. Penilaian Diri ....................................................................................................................................12 KEGIATAN PEMBELAJARAN 2 ................................................................................................................13 a.



Tujuan Pembelajaran ....................................................................................................................13



b.



Uraian Materi ................................................................................................................................13



1.



Efek Fotolistrik ..........................................................................................................................13



2.



Efek Compton ............................................................................................................................14



3.



Hipotesis de Broglie..................................................................................................................15



c.



Rangkuman Materi ........................................................................................................................18



d.



Penugasan .....................................................................................................................................18



e.



Latihan Soal ...................................................................................................................................19



f.



Penilaian Diri .................................................................................................................................21



Evaluasi .................................................................................................................................................22 Daftar Pustaka ......................................................................................................................................25 Lampiran ...............................................................................................................................................26



i



Penyusun Saroji, S.Pd, M.Pd SMA Negeri 3 Semarang



ii



Peta Konsep



Fenomena Kuantum



Radiasi benda Hitam



Teori Pergeseran Wien



Teori RayleghJeans



Teori Planck



Efek Fotolistrik



Efek Compton



Toerema deBroglie



Glosarium Foton Diskret Malar Fungsi kerja



: Paket-paket energi : Terkuantisasi dalam paket-paket : Kontinu : Energi minimal yang dibutuhkan electron untuk lepas dari permukaan logam Tegangan henti : Beda potensial yang dibutuhkan untuk menghentikan terjadinya efek fotolistrik Efek fotolistrik : Terpancarnya elektron dari permukaan logam ketika disinari Efek Compton : Terhamburnya foton saat menumbuk elektron



Pendahuluan a. Identitas Modul Nama Mata Pelajaran Kelas Alokasi waktu Judul Modul



: Fisika : XII/ Semester 2 : 4 jam pelajaran ( 2 x pertemuan) : Fenomena Kuantum



b. Kompetensi Dasar 3.8 Menganalisis secara kualitatif gejala kuantum yang mencakup sifat radiasi benda hitam, efek fotolistrik, efek Compton, dan sinar X dalam kehidupan sehari-hari 1



4.8 Menyajikan laporan tertulis dari berbagai sumber tentang penerapan efek fotolistrik, efek Compton, dan sinar X dalam kehidupan sehari-hari



c. Deskripsi Peserta didik yang hebat, generasi masa depan “Indonesia Maju”. Semoga kalian selalu sehat, tetap semangat, dan tidak mudah mengeluh dalam menghadapi kesulitan. Yakinlah bahwa kesulitan yang kalian hadapi akan semakin memperkuat diri kalian untuk menjadi genenerasi yang lebih unggul. Selamat berjumpa di modul pembelajaran Fisika. Tahukah kalian bahwa fisikapun memiliki cerita sejarah yang menarik? Diantaranya adalah sejarah perkembangan produk-produk fisika (fakta, konsep, prinsip, postulat, teori, dan hukum). Ada pembagian periodesasi dalam fisika yaitu fisika klasik dan fisika modern. Periode fisika klasik terjadi dalam rentang tahun 1600 hingga 1890an. Pada periode ini, gejala-gejala alamiah yang teramati oleh mauasia dapat dijelaskan dan diprediksi secara akurat dengan teori fisika klasik yaitu menanika Newton, elektromagnetika klasik, dan termodinamika. Gerak benda dapat dijelaskan dengan hukum-hukum Newton sedangkan karakteristik cahaya seperti pemantulan, pembiasan, interferensi, difraksi, dan polarisasi dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetika yang menganggap bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik sesuai dengan teorinya Maxwell. Gejala kelistrikan dan kemagnetan juga dapat dijelaskan dengan baik diantaranya menggunakan hukum Ohm dan hukum Faraday. Seiring dengan berkembangnya berbagai peralatan untuk eksperimen, para ilmuan fisika menemukan bahwa ada beberapa fenomena baru yang tidak dapat dijelaskan menggunakan teori fisika klasik. Fenomena-fenomena baru ini, dapat dijelaskan pada awal abad ke-20 dengan membuat konsep baru yaitu “mekanika kuantum” yang merupakan awal era fisika modern. Dalam modul ini akan dibahas beberapa fenomena eksperimental yang tidak dapat dijelaskan dengan teori fisika klasik. Fenomena itu diantaranya adalah radiasi benda hitam, efek fotolistrik, dan efek Compton.



d. Petunjuk Penggunaan Modul Agar modul dapat digunakan secara maksimal maka kalian diharapkan melakukan langkahlangkah sebagai berikut : 1. 2. 3. 4.



Pelajari dan pahami peta materi yang disajikan dalam setiap modul Pelajari dan pahami tujuan yang tercantum dalam setiap kegiatan pembelajaran Pelajari uraian materi secara sistematis dan mendalam dalam setiap kegiatan pembelajaran. Lakukan uji kompetensi di setiap akhir kegiatan pembelajaran untuk mengetahui tingkat penguasaan materi. 5. Diskusikan dengan guru atau teman jika mengalami kesulitan dalam pemahaman materi. Lanjutkan pada modul berikutnya jika sudah mencapai ketuntasan yang diharapkan.



e. Materi Pembelajaran Materi pembelajaran dalam modul ini terbagi menjadi beberapa materi pokok yaitu radiasi benda hitam, hukum pergeseran wien, teori max Plank, efek fotolistrik, efek Compton, panjang gelombang d’Broglie, momentum foton, dan sinar-X



2



Kegiatan Pembelajaran 1 a. Tujuan Setelah mempelajari modul kegiatan pembelajaran 1 ini kalian diharapkan mampu menganalisis secara kualitatif spektrum radiasi termal benda hitam, hukum pergeseran Wien, teori ReyleighJeans, dan teori kuantum Planck.



b. Uraian Materi 1.



Radiasi Benda Hitam



I (W/m2)



Pada akhir abad ke-19 dengan ditemukannya spektrometer, para ilmuan fisika dapat mengamati beberapa fenomena fisika yang tidak dapat dijelaskan dengan menggunakan teori fisika yang telah dikenal pada waktu itu. Fenomena itu adalah ditemukannya data hasil eksperimen tentang bentuk kurva radiasi termal dari sebuah benda seperti pada gambar 1.



𝜆 (μm)



Gambar 1. Kurva spektrum radiasi benda hitam Radiasi termal adalah pancaran energi termal suatu benda yang disebabkan oleh suhunya. Sebaran intensitas radiasi termal (I) sebagai fungsi frekuensi (f) atau fungsi panjang gelombang (𝜆) dinamakan spektrum radiasi termal. Bentuk spektrum radiasi termal inilah yang menarik minat para fisikawan, terutama karena teori fisika klasik tidak dapat digunakan untuk menjelaskan bentuk lengkung radiasi termal tersebut. Salah satu fenomena yang juga diamati adalah perbedaan kurva spektrum yang dipancarkan oleh permukaan logam yang suhunya berbeda. Berdasarkan pengamatan dengan spektrometer, permukaan benda yang dipanaskan meradiasikan spektrum kontinu (malar) yang nilainya bergantung dari banyak faktor, antara lain: suhu benda, sifat permukaan benda, dan bahan yang dipergunakan. Eksperimen menunjukkan bahwa intensitas radiasi berharga maksimum diperoleh apabila permukaan benda tersebut dilapisi dengan arang karbon yang tipis. Ternyata jika permukaan benda dilapisi arang karbon, spektrum radiasi termal hanya bergantung dari suhu benda tidak tergantung lagi pada bentuk permukaan benda dan jenis bahan penyusunnya. Benda yang memiliki karakteristik meradiasikan energi dengan intensitas maksimum pada sembarang suhu selanjutnya dinamakan benda hitam (black body) Benda hitam menurut pengertian yang digambarkan oleh fisikawan tidak harus benda berwarna hitam. Benda hitam didefinisikan sebagai benda yang menyerap semua radiasi yang diterimanya dan meradiasikan seluruh energi yang dimilikinya. Benda hitam ideal (sempurna) dimodelkan dengan sebuah benda berongga dengan lubang sangat kecil seperti pada gambar 2. Jika seberkas cahaya dapat masuk ke dalam rongga tersebut melalui lubang kecil, maka berkas 3



cahaya akan mengalami beberapa kali pemantulan pada permukaan dinding dalam rongga. Sangat kecil peluang bagi berkas cahaya tersebut untuk dapat meninggalkan rongga, sehingga benda tersebut merupakan benda hitam sempurna karena menyerap semua cahaya yang mengenainya. Sebaliknya, ketika dinding rongga ditingkatkan suhunya maka dinding akan meradiasikan cahaya. Berkas cahaya yang diradiasikan akan keluar melewati lubang kecil tersebut dan tidak dapat masuk lagi. Jadi, benda berongga tersebut memiliki karakteristik benda hitam sempurna karena energi yang dimiliki diradiasikan semua dan menyerap seluruh energi yang diterimanya.



Gambar 2. Pemodelan benda hitam Pada tahun 1879 Stefan-Boltzmann melakukan eksperimen untuk mengetahui karakteristik dari radiasi benda hitam. Mereka menemukan bahwa daya total per satuan luas (intensitas) radiasi benda hitam adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya, 𝐼 = 𝑒𝜎𝑇 4 dengan



I = intensitas (W/m2) e = emisivitas permukaan benda (0 < e < 1) (benda dengan e=1 disebut benda hitam sempurna) 𝛔 = konstanta Stefan-Boltzmann = 5, 67 x 10-8 J s-1 m-2 K-4 T = suhu mutlak benda (K)



Persamaan tersebut dikenal sebagai Hukum Stefan Boltzmann. Nilai emisitivitas beberapa benda pada suhu 300 K diberikan dalam tabel 1 berikut. Bahan Aluminium foil Karbon Cat putih, datar Bata merah Beton Cat hitam, datar



Emisivitas (e) 0,02 0,8 0,87 0,9 0,94 0,94



Tabel 1. Emisivitas benda



Contoh soal: Suatu benda hitam memancarkan energi 162 J/s pada suhu 27o C. Berapa energi yang dipancarkan oleh benda hitam tersebut jika suhu dinaikkan menjadi 127o C? 4



Pembahasan: P1 =162 J/s T1 = (27 + 273) = 300 K T2 = (127 + 273) = 400 K Ditanyakan: P2...? Jawab: Berdasarkan rumus 𝐼 = 𝑒𝜎𝑇 4, karena P= I . A maka untuk benda yang sama P sebanding dengan T4, sehingga: 𝑃2 𝑇2 4 =( ) 𝑃1 𝑇1 𝑃2 400 4 =( ) 162 300 𝑃2 16 = 162 9 16 𝑃2 = × 162 9 𝑃2 = 288 𝐽/𝑠 2.



Hukum Pergeseran Wien dan Bencana Ultraviolet



Ada beberapa pendekatan yang digunakan oleh fisikawan pada akhir abad ke-19 untuk menerangkan bentuk lengkung kurva spektrum radiasi termal benda hitam. Diantaranya dilakukan oleh Wien dan Reyleigh-Jeans. Menurut Wien, benda hitam jika dipanaskan terus



menerus, akan memancarkan radiasi kalor (termal) yang puncak spektrumnya memberikan warna-warna tertentu. Warna spektrum bergantung pada panjang gelombangnya, dan panjang gelombang ini akan bergeser sesuai suhu benda, seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Pada suhu rendah, radiasi yang dipancarkan memiliki intensitas yang rendah sehingga tidak ada cahaya radiasi yang terlihat. Jika suhu terus dinaikkan, benda mula-mula akan berpijar merah, selanjutnya akan berwarna kuning keputih putihan. Semakin tinggi suhu benda selain intensitas radiasinya bertambah, panjang gelombang pada puncak spektrum radiasinya (saat intensitasnya maksimum) juga semakin kecil. Pergeseran puncak spektrum radiasi tersebut berbanding terbalik dengan suhu mutlak benda oleh Wien diformulasikan dengan, 𝜆𝑚 = 𝐶/𝑇 dengan: C = konstanta pergeseran Wien = 2,898 x 10-3 m.K T = suhu mutlak benda (K) 𝜆m = Panjang gelombang pada intensitas radiasi maksimum (m) Persamaan tersebut selanjutnya dikenal dengan hukum pergeseran Wien. Namun demikian, formulasi yang diperoleh Wien ternyata tidak sesuai dengan data hasil eksperimen. Formulasi Wien hanya mampu memprediksi spektrum radiasi pada daerah dengan panjang gelombang kecil, dan tidak mampu memberikan gambaran spektrum radiasi pada daerah dengan panjang gelombang besar. Ketidak akuratan formula Wien mendorong Reyleigh-Jeans untuk mengembangkan gagasan baru. Dengan menganggap bahwa energi radiasi termal yang dihasilkan benda berongga berasal dari osilator-osilator pada dinding rongga benda hitam. Frekuensi getaran osilator terkait dengan suhu dinding rongga. Berdasarkan teori ekipartisi energi Reyleigh-Jeans mengemukanan 5



bahwa rapat energi radiasi gelombang elektromagnetik persatuan volume yang dihasilkan benda hitam diformulasikan 𝐸 = 8𝜋𝑘𝑇/𝜆4 dengan



E= rapat energi (J/m3) k= konstanta Boltzmann = 1,38 x 10-23 J/K T= suhu mutlak (K) 𝜆= Panjang gelombang (m)



Formulasi Reyleigh-Jeans ini juga tidak sepenuhnya sesuai dengan data hasil eksperimen, tetapi hanya cocok untuk daerah dengan panjang gelombang besar dan tidak cocok untuk daerah dengan panjang gelombang kecil (pendek), yaitu pada daerah sinar ultraviolet (UV). Fenomena ini dikenal dengan istilah ”bencana ultraviolet”. Perbandingan teori yang dikemukakan Wien dan Reyleigh-Jeans dapat dijelaskan dengan grafik pada gambar 2 berikut: I Hasil eksperimen Teori Reyleigh-Jeans Teori Wien



𝜆 Gambar 2. Perbandingan teori Wien, teori Rayleigh-Jeans, dan hasil eksperimen Contoh soal: 1. Permmukaan benda pada suhu 37oC meradiasikan gelombang elektromagnetik. Bila nilai konstanta Wien = 2,898 x 10-3 m.K, berapakah panjang gelombang saat intensitas radiasinya maksimum? Pembahasan: Diketahui: T= 37oC = 37 + 273 = 310 K C= 2,898 x 10-3 m.K Ditanya: 𝜆=…? Jawab: 𝐶 𝜆𝑚 = 𝑇 2,898 𝑥 10−3 𝜆𝑚 = 310 𝜆𝑚 = 9,348 𝑥 10−6 𝑚 2. Sebuah bintang memiliki spektrum puncak dengan panjang gelombang 750 nm. Tentukan suhu permukaan bintang tersebut! Pembahasan: Diketahui: 𝜆= 750 nm = 7,5 x 10-7 m 6



Ditanya: T=…? Jawab: 𝐶 𝑇 2,898 𝑥 10−3 7,5 x 10−7 = 𝑇 2,898 𝑥 10−3 𝑇= 7,5 x 10−7 𝑇 = 3864 𝐾 𝜆𝑚 =



3. Teori Kuantum Planck Teori fisika klasik, baik teori Wien maupun teori Raleigh-Jeans hanya mampu menjelaskan dari mana asal radiasi termal benda hitam, tetapi tidak bisa dengan tepat memprediksikan spektrum radiasi termal sebagaimana yang teramati oleh Wien. Akhirnya, penjelasan yang memuaskan datang dari Max Planck pada akhir tahun 1900 (1858-1947) yang mengajukan suatu persamaan empiris yang cocok dengan hasil eksperimen. Teori Planck ini merupakan cikal bakal bagi lahirnya teori kuantum cahaya yang dikemukakan oleh Einstein pada beberapa tahun kemudian dan merupakan awal lahirnya fisika modern. Untuk dapat memperoleh formula yang memenuhi semua data eksperimen spektrum benda hitam, Planck mengemukakan dua gagasan baru yang sangat radikal dan bertentangan dengan teori fisika klasik tentang sifat dasar dari getaran molekul-molekul dalam dinding rongga benda hitam. Gagasan tersebut, yaitu: 1) Radiasi yang dipancarkan akibat getaran molekul tidaklah kontinu (malar) tetapi diskret dalam paket-paket energi yang disebut kuanta (foton). Besar energi setiap foton ditentukan oleh frekuensi getaran dan dirumuskan 𝑬 = 𝒉. 𝒇 = 𝒉.



𝒄 𝝀



dengan E = energi satu foton (J) h = konstanta Planck = 6,63 x 10-34 Js f = frekuensi cahaya (Hz) c = cepat rambat cahaya (m/s)  = panjang gelombang cahaya (m) Energi radiasi yang memiliki n buah foton dinyatakan dengan 𝐸𝑛 = 𝑛𝐸 𝐸𝑛 = 𝑛ℎ𝑓 dengan n = jumlah foton. Energi dari molekul-molekul dikatakan terkuantisasi dan energi yang diperkenankan disebut tingkat energi. Berarti tingkat energi radiasi adalah hf, 2hf, 3hf, 4hf,…dan seterusnya. Artinya tidak mungkin energi radiasi termal yang memiliki nilai 1,2hf atau 2,5 hf. Persamaan empiris yang diberikan oleh Planck tersebut dikenal dengan hukum radiasi benda hitam 2) Molekul-molekul memancarkan atau menyerap energi foton apabila “melompat” dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya. Jika molekul tetap tinggal dalam satu tingkat energi tertentu, maka tidak ada energi yang diserap atau dipancarkan molekul. 7



Hukum radiasi Planck menunjukkan bahwa paket energi (foton) sebanding dengan frekuensi dan berbanding terbalik dengan panjang gelombang. Untuk memahami istilah foton perhatikan ilustrasi berikut, lampu yang memancarkan cahaya merah memiliki foton yang lebih kecil dari lampu yang memancarkan cahaya kuning, karena frekuensi cahaya merah lebih kecil dari cahaya kuning. Dua lampu yang memancarkan warna cahaya yang sama misalkan merah tetapi dengan tingkat terang (intensitas) berbeda, menunjukkan bahwa foton lampu tersebut sama tetapi lampu yang lebih terang jumlah fotonnya (n) lebih banyak dibandingkan yang redup. Contoh Soal 1. Tentukan besarnya energi radiasi foton dari gelombang elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang 2000 Å, jika konstanta Planck 6,6 x 10-34 Js. Pembahasan : Diketahui:  = 2000 Å = 2 x 10-7 m h = 6,6 x 10-34 Js c = 3 x 108 𝑚⁄𝑠 Ditanyakan: E…? 𝑐 E=h.f=h. 𝜆



E = 6,6 x 10-34.



3𝑥108 2𝑥10−7



= 9,9 x 10-19 joule



2. Lampu natrium 66 W memancarkan cahaya kuning dengan panjang gelombang 580 nm. a. Berapakah energi foton cahaya kuning tersebut b. Berapakah jumlah foton yang dipancarkan lampu tersebut dalam waktu 0,5 menit jika hanya 20 % energi listrik yang diubah menjadi cahaya. (h= 6,6 x 10 -34 Js) Pembahasan : Diketahui: P= 66 W  = 580 nm = 5,8 x 10-7 m h = 6,6 x 10-34 Js c = 3 x 108 𝑚⁄𝑠 Ditanyakan: a. E…? b. n…? dengan En= 20% EListrik dan t= 0,5 menit= 30 s Jawab: 𝑐 a. E = h . f = h . 𝜆



E = 6,6 x 10-34.



3 𝑥108 5,8 𝑥10−7



= 3,4 x 10-19 joule



b. En= 20% EListrik nhf= 20% P t n. E= 0,2 66. 30 n. 3,4 x 10-19= 396 396 n= −19 3,4 𝑥 10



n = 1,16 x 1021 buah foton



8



c. Rangkuman Materi



I (W/m2)



1. Pada akhir abad 19 ditemukan fenomena spektrum radiasi termal yang bentuk grafiknya sebagai berikut



𝜆 (nm)



2. Hukum Stefan hukum Stefan-Boltzmann menyatakan bahwa intensitas radiasi termal benda hitam berbanding lurus dengan suhu mutlaknya pangkat empat. 𝐼 = 𝑒𝜎𝑇 4 3. Hukum ppergeseran Wien menyatakan semakin tinggi suhu benda selain intensitas radiasinya bertambah, panjang gelombang pada puncak spektrum radiasinya (saat intensitasnya maksimum) juga semakin kecil. Wien memformulasikan bahwa panjang gelombang tersebut berbanding terbalik dengan suhu mutlak benda, 𝜆𝑚 = 𝐶/𝑇 4. Formulasi Wien hanya mampu memprediksi spektrum radiasi pada daerah dengan panjang gelombang kecil, dan tidak mampu memberikan gambaran spektrum radiasi pada daerah dengan panjang gelombang besar (teori Wien sesuai dengan hasil eksperimen hanya pada spektrum radiasi termal pada panjang gelombang yang kecil), sedangkan teori Rayleigh-Jeans sesuai dengan hasil eksperimen hanya pada spektrum radiasi termal pada panjang gelombang yang besar, tidak sesuai untuk spektrum radiasi termal pada panjang gelombang yang kecil, yaitu sinar ultraviolet 5. Hukum radiasi benda hitam yang dikemukakan Planck, mampu menjelaskan spektrum radiasi termal sesuai dengan hasil eksperimen. Planck menyatakan bahwa energi yang diradiasikan benda tidak membentuk spektrum kontinu (malar) tetapi dalam bentuk spektrum diskrit dengan energi yang terkuantisasi. Kuantisasi energi ini disebut dengan foton. Satu foton setara dengan energi sebesar 𝒄 𝑬 = 𝒉. 𝒇 = 𝒉. 𝝀



9



d. Latihan Soal I. Pilihlah salah satu jawaban yang paling tepat ! 1. Daya yang diradiasikan oleh benda hitam pada suhu T besarnya 16 kali daya yang diradiasikan pada suhu 27 C, maka suhu T sama dengan…. A. 300 K B. 400 K C. 500 K D. 600 K E. 700 K 2. Dua buah lampu pijar suhunya masing-masing 27 C dan 327 C. jika lampu pijar dianggap berbentuk bola dengan jari-jari lampu pijar pertama adalah 2 kali jari-jari lampu pijar kedua, perbandingan daya lampu pertama dan lampu kedua adalah …. A. 1 : 4 B. 9 : 8 C. 3 : 2 D. 1 : 16 E. 81 : 64 3. Suhu permukaan suatu benda 483 K. Jika konstanta Wien = 2,898 x 10-3 m.K, maka panjang gelombang radiasi pada intensitas maksimum yang diradiasikan oleh permukaan benda itu adalah …. A. 6 x 102 Å B. 6 x 103 Å C. 6 x 104 Å D. 6 x 105 Å E. 6 x 106 Å 4. Berdasarkan grafik hubungan intensitas (I) terhadap panjang gelombang () seperti di bawah ini, dapat disimpulkan bahwa….



1



5.



6.



A. T1 = T2 2 B. T1 < T2 T1 > T3 C. T1 < T2 T < T3 D. T1 = T2 = T3 E. T1 > T2 > T3 Dua buah benda hitam masing-masing dipanasi pada suhu 627 C dan 227 C. perbandingan panjang gelombang maksimum pertama dan kedua dari radiasi kedua benda hitam tersebut adalah… A. 5 : 9 B. 9 : 5 C. 3 : 1 D. 2 : 3 E. 4 : 3 Menurut teori kuantum, berkas cahaya terdiri atas foton. Intensitas cahaya ini …. A. berbanding lurus dengan energi foton 10



B. berbanding lurus dengan banyaknya foton C. berbanding lurus dengan akar energi foton D. berbanding lurus dengan kuadrat banyaknya foton E. tidak bergantung pada energi dan banyaknya foton 7. Jika konstanta Planck 6,6 x 10-34 Js, energi foton yang diradiasikan oleh gelombang elektromagnetik pada frekuensi 5 x 1014 Hz adalah …. A. 3,3 x 10-21 J B. 2,2 x 10-20 J C. 3,3 x 10-19 J D. 3,3 x 10-17 J E. 6,6 x 10-17 J 8. Jika sebuah pemancar radio berdaya 1000 watt memancarkan foton tiap sekon sebanyak 5 x 1020 buah, maka energi fotonnya adalah …. A. 5 x 10-20 J B. 2 x 10-20 J C. 2 x 10-18 J D. 5 x 10-17 J E. 2 x 10-17 J 9. Lampu pijar 100 watt, 5,5% energinya dipancarkan sebagai cahaya tampak dengan panjang gelombang 5400 Å dan jika konstanta Planck 6,6 x 10-34 Js, maka jumlah foton yang dipancarkan setiap sekon adalah …. A. 2,2 x 1019 B. 2,0 x 1019 C. 1,8 x 1019 D. 1,5 x 1019 E. 1,1 x 1019 10. Grafik berikut ini menunjukkan hubungan antara intensitas radiasi (I) dan panjang gelombang (λ) pada radiasi termal oleh benda hitam. Jika konstanta Wien 2,90 x 10-3 mK, Suhu permukaan benda adalah…. I



5800 A. B. C. D. E.



λ (Å)



6.000 K 5.000 K 4.800 K 2.900 K 2.500 K



11



e. Penilaian Diri Jawablah pertanyaan di bawah ini dengan jujur, sesuai dengan kemampuan kalian. Cara menjawabnya adalah dengan memberikan centang (√) di kolom yang disediakan. No 1 2 3 4 5 6



Pernyataan



Ya



Tidak



Keterangan



Saya memahami batasan fisika klasik dan modern Saya mampu menjelaskan rumusan energi radiasi termal menurut StefanBoltzmann benda hitam Saya mampu menganalisis secara kualitatif maksud dari hukum pergeseran Wien Saya mampu menganalisis secara kualitatif perbedaan teori Raylegh-Jeans dan Wien . Saya mampu menjelaskan pengertian “bencana ultraviolet” Saya mampu menjelaskan teori kuantum planck



Keterangan: Apabila kalian menjawab pernyataan jawaban Ya, berarti telah memahami dan menerapkan semua materi. Bagi yang menjawab tidak silahkan mengulang materi yang terkait.



12



KEGIATAN PEMBELAJARAN 2 a. Tujuan Pembelajaran Setelah mempelajari modul kegiatan pembelajaran 2 ini kalian diharapkan mampu menganalisis secara kualitatif fenomena efek fotolistrik, efek Compton, panjang gelombang deBroglie, dan momentum foton.



b. Uraian Materi 1. Efek Fotolistrik Pada 1887 Heinrich Hertz mengamati peningkatan berkurangnya muatan dari elektroda logam ketika disinari dengan cahaya ultraviolet. Pengamatan itu diteruskan oleh Hallwachs yang menemukan adanya emisi elektron ketika menyinari permukaan-permukaan logam seperti seng, rubidium, potassium dan sodium dengan cahaya ultraviolet. Proses lepasnya elektron-elektron dari permukaan logam yang disinari disebut emisi fotoelektron atau efek fotolistrik Efek fotolistrik selanjutnya diamati oleh Lenard pada tahun 1902 dengan perangkat seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Lenard menemukan bahwa jika pelat (seng) disinari dengan sinar ultraviolet, maka elektron akan lepas dan meninggalkan pelat dengan fakta-fakta: (1) suatu jenis logam tertentu bila disinari (dikenai radiasi) dengan frekuensi yang lebih besar dari harga tertentu akan melepaskan elektron, walaupun intensitas radiasinya sangat kecil. Sebaliknya, berapapun besar intensitas radiasi yang dikenakan pada suatu jenis logam, jika frekuensinya lebih kecil dari harga tertentu maka tidak akan dapat melepaskan elektron dari logam tersebut. (2) kecepatan (energi kinetik) elektron yang lepas dari permukaan logam tidak bergantung pada intensitas cahaya, tetapi hanya bergantung pada frekuensi (atau panjang gelombang) sinar yang digunakan, (3) Jika batas frekuensi radiasi untuk terjadinya efek fotolistrik terpenuhi, meningkatkan intensitas radiasi akan memperbanyak foto-elektron yang dihasilkan, ditandai oleh bertambahnya arus foto-elektron (I) yang terukur oleh ampermeter.



Vo



Gambar 3. Perangkat percobaan efek fotolistrik



Efek fotolistrik tidak dapat dipahami dengan fisika klasik, yang menjelaskan bahwa intensitas radiasi sebanding dengan energi gelombang (kuadrat amplitudo). Teori kuantisasi energi yang dikemukakan oleh Planck, kemudian diartikan lebih fisis oleh Einstein digunakan untuk menjelaskan hasil eksperimen dari gejala fotolistrik. Pada tahun 1905 Einstein mulai memperkenalkan teori kuantum cahaya. Menurut Einstein: 1. Pancaran cahaya berfrekuensi f berisi paket-paket gelombang atau paket-paket energi yang besarnya sama dengan hf yang dinamakan foton. Jumlah foton per satuan luas penampang per 13



satuan waktu sebanding dengan intensitas cahaya, tetapi energi foton tidak bergantung pada intensitas cahaya. Sehingga semakin tinggi intensitas cahaya yang digunakan pada percobaan efek fotolistrik berdampak semakin banyak jumlah elektron yang terpancar ditandai dengan meningkatnya arus fotoelektron yang terukur pada ampermeter. 2. Energi foton hanya bergantung pada frekuensi gelombang cahaya. Menurut postulat Planck, foton-foton yang sampai pada katoda akan diserap sebagai kuantum energi. Ketika elektron menyerap foton, maka elektron memperoleh sejumlah energi yang dibawa foton yaitu sebesar hf. Jika energi yang diterima elektron melebihi energi ikat oleh permukaan logam, sebagian digunakan elektron untuk melepaskan diri dari bahan dan sisanya digunakan untuk bergerak, menjadi energi kinetik elektron. Besarnya energi yang diperlukan oleh elektron untuk melepaskan diri dari logam (melawan energi ikatan logam) disebut fungsi kerja/energi ambang logam (Wo). Besar energi kinetik maksimum foto-elektron diformulasikan 𝐸𝐾𝑚𝑎𝑘𝑠 = ℎ𝑓 – 𝑊𝑜, dengan 𝑊𝑜 = ℎ𝑓𝑜 𝐸𝐾𝑚𝑎𝑘𝑠 = ℎ(𝑓 – 𝑓𝑜) dengan



EKmaks = energi kinetik maksimum foto-elektron (J) Wo = fungsi kerja/energi ambang logam (J) fo = frekuensi ambang logam (Hz)



Energi kinetik foto-elektron diukur dengan memasang sumber tegangan (beda potensial listrik) pada perangkat eksperimen fotolistrik dengan kutub negative(-)nya dihubungkan dengan elektroda positif (anoda). Pada saat telah terjadi efek fotolistrik, dengan mengatur besarnya tegangan listrik gerak elektron yang terpancar dari logam dapat dihentikan, ditandai dengan aruslistrik yang terbaca oleh ampermeter menjadi nol. Tegangan listrik yang mampu menghentikan keluarnya elektron dari permukaan logam selanjutnya disebut beda potensial listrik penghenti/stopping voltage (Vo). Ketika foto-elektron terhenti berarti nilai energi kinetiknya sama dengan energi listrik yang dihasilkan oleh sumber tegangan, jadi 𝐸𝐾𝑚𝑎𝑘𝑠 = 𝑒 . 𝑉𝑜 dengan



e = muatan electron = 1,6 x 10-19 C Vo = tegangan/beda ptensial henti (volt)



Makin tinggi nilai EKmaks makin tinggi besarnya tegangan penghenti Vo agar elektron tidak mengenai kutub elektrodanya (anoda). Nilai Vo ternyata tidak bergantung pada intensitas cahaya yang dikenakan pada permukaan logam, melainkan bergantung pada frekuensi dari cahaya yang digunakan. Makin tinggi frekuensi cahaya yang digunakan, makin besar nilai Vo. Ini menunjukkan bahwa peningkatan frekuensi cahaya berdampak pada meningkantnya energi kinetik foto elektron atau kecepatan geraknya, bukan pada jumlah foto elektron.



2. Efek Compton Pada tahun 1923, Arthur H. Compton mengamati perubahan panjang gelombang sinar-X setelah dihamburkan oleh elektron bebas seperti pada gambar 4. Compton menjelaskan, radiasi yang dikenakan pada lempeng logam berinteraksi dengan elektron bebas dalam logam (tidak selalu menimbulkan efek fotolistrik walaupun energinya cukup). Interaksi antara radiasi dengan elektron bebas dalam logam berperilaku seperti tumbukan elastis antara dua partikel. Mekanisme hamburan radiasi (kemudian disebut hamburan Compton atau efek Compton) tersebut di atas dapat dijelaskan dengan memberlakukan hukum kekekalan energi dan hukum kekekalan momentum linear secara relativistik.



14



sinar X datang dengan energi E λ



sinar X terhambur dengan energi E’



λ' θ



elektron terhambur dengan energi EK Gambar 4. Efek Compton



Pemberlakuan kedua hukum kekekalan tersebut menghasilkan persamaan ℎ 𝛥𝜆 = 𝜆’ – 𝜆 = ( 1 − 𝑐𝑜𝑠 𝜃 ) 𝑚𝑜 𝑐 Dengan : Δλ = pergeseran panjang gelombang foton (m) λ = panjang gelombang foton datang (m) λ’ = panjang gelombang foton hambur (m) m0= massa diam elektron= 9,1 × 10−31 kg h = konstanta Plank = 6,63 x 10-34 Js θ= sudut hamburan(o) c= cepat rambat gelombang elektromagnetik= 3 x 108 m/s ℎ Jika dihitung, nilai = 2,43 × 10−11 𝑚 disebut panjang gelombang Compton. 𝑚𝑜 𝑐



Dalam efek Compton yang terjadi adalah foton sinar X menumbuk elektron yang mula-mula diam. Saat terjadi tumbukan foton dapat dipandang sebagai partikel yang kehilangan energi karena terserap oleh elektron menjadi energi kinetik elektron. Berdasarkan hukum kekekalan energi akan berlaku 𝐸𝐾 = 𝐸 – 𝐸’



3. Hipotesis de Broglie Peristiwa efek fotolistrik dan efek Compton tidak dapat dijelaskan dengan teori fisika klasik yang memandang cahaya sebagai gelombang elektromagnetik, tetapi dapat dijelaskan berdasarkan teori kuantum cahaya yang dikemukakan oleh Einstein yang memandang cahaya sebagai partikel (foton). Sehingga muncul gagasan dualisme gelombang partikel dimana cahaya tidak hanya memiliki sifat sebagai gelombang tetapi juga bersifat seperti partikel. Walaupun foton tidak bermassa, karena dipandang sebagai partikel maka foton memiliki momentum yang dirumuskan 𝑝= Karena E= hf = hc/𝜆, maka 𝑝= dengan p= momentum foton (kg m/s)



ℎ 𝜆



𝐸 ℎ𝑓 = 𝑐 𝑐



Diilhami oleh sifat dualisme cahaya, Louis de Broglie pada tahun 1924 mengusulkan hipotesisnya, bahwa partikel yang bergerak juga memperlihatkan sifatnya sebagai gelombang. Hipotesis de Broglie tersebut kemudian dapat dibuktikan oleh Davisson dan Germer pada tahun 15



1927 dengan difraksi elektron. Seberkas elektron yang telah dipercepat dengan tegangan V dikenakan pada kristal. Elektron-elektron terhambur dideteksi terhadap variasi sudut hamburan, ternyata hasilnya memperlihatkan adanya pola difraksi seperti halnya cahaya atau sinar X. Panjang gelombang elektron yang telah dipercepat dengan tegangan V menurut hipotesis de Broglie adalah 𝜆=



ℎ 𝑚𝑣



Elektron dipercepat dengan tegangan V sehingga memiliki energi kinetik yang berasal dari energi listrik 1 𝑒. 𝑉 = m𝑣 2 2 1 (𝑚𝑣)2 𝑒. 𝑉 = 2 𝑚 √2𝑚. 𝑒. 𝑉 = 𝑚𝑣



maka



𝜆=



ℎ √2𝑚. 𝑒. 𝑉



dengan 𝜆 = panjang gelombang deBroglie(m) m = massa partikel (kg) v = kecepatan (m/s) h = konstanta Planck e = muatan partikel © V = tegangan pemercepat (volt) Contoh Soal: 1. Davisson dan Germer memilih elektron sebagai partikel untuk menguji hipotesa de Broglie. Elektron-elektron diperoleh dari filamen yang dipijarkan, kemudian elektron-elektron itu dipercepat dalam medan listrik yang bersumber dari tegangan 54 Volt. Tentukan Panjang gelombang deBroglie elektron tersebut! Pembahasan Diketahui: V= 54 volt Ditanyakan: 𝜆=…? Jawaban:



𝜆= 𝜆=



ℎ



√2𝑚. 𝑒. 𝑉 6,6 × 10−34



√2 (9.1 × 10−31 )(1,6 × 10−19 )(54) 𝜆 = 1,65 × 10−10 𝑚



16



2. Pada sebuah eksperimen hamburan menggunakan berkas sinar X, diketahui fraksi perubahan ∆𝜆 panjang gelombang ( ) adalah 1% saat sudut hamburannya 120o. Berapakah panjang 𝜆 gelombang sinar X yang digunakan? Pembahasan Diketahui: ∆𝜆 =1% dan θ= 120o 𝜆 Ditanyakan: 𝜆=…? Jawaban:



𝛥𝜆 =



ℎ (1 − 𝑐𝑜𝑠𝜃) 𝑚𝑜 𝑐



𝛥𝜆 =



6,63 × 10−34 (1 − 𝑐𝑜𝑠120) (9,1 × 10−31 )(3 × 108 )



𝛥𝜆 = 2,43 × 10−12 [1 − (−0,5)] 𝛥𝜆 = 2,43 × 10−12 [1,5] 𝛥𝜆 = 3,64 × 10−12 𝑚 Karena



∆𝜆 𝜆



=1% maka: 3,64×10−12 𝜆



= 0,01 𝜆 = 3,64 × 10−10 𝑚



3. Sinar X dengan panjang gelombang 4 pm ditembakkan pada sebuah sasaran dan terhambur. Berapakah panjang gelombang maksimum sinar X yang dihamburkan? Berapa pula energi kinetik maksimum elektron yang terhentak? Pembahasan: Diketahui: 𝜆 =4 pm = 4 x 10-12 m Ditanya: 𝜆maks dan EKelektron=…? Jawab: ℎ 𝛥𝜆 = (1 − 𝑐𝑜𝑠𝜃) 𝑚𝑜 𝑐 𝜆′ − 𝜆 =



ℎ (1 − 𝑐𝑜𝑠𝜃) 𝑚𝑜 𝑐



𝜆′ − 4 x 10 −12 = (9,1



6,63 ×10−34 (1 − 𝑐𝑜𝑠180), ×10−31 )(3×108 )



nilai



perubahan



maksimum



panjang



gelombang tercapai saat sinar X berbalik arah(θ=180O)



𝜆′ − 4 x 10 −12 = 2,43 × 10−12 [1 − (−1)] 𝜆′ − 4 x 10 −12 = 2,43 × 10−12 [2] 𝜆′ − 4 x 10 −12 = 4,86 × 10−12 𝜆′ = 4,86 × 10−12 + 4 x 10 −12 𝜆′ = 8,86 × 10−12 𝑚 17



Energi kinetik maksimum yang terhentak sama dengan selisih energi sinar X sebelum terhambur dengan setelah terhmbur. 1 1 𝐸𝑘 = ℎ𝑐 ( − ) 𝜆 𝜆′ 1 1 𝐸𝑘 = (6,63 × 10−34 )(3 × 108 ) ( − ) −12 4 x 10 8,86 × 10−12 𝐸𝑘 = 2,73 × 10−15 𝐽



c. Rangkuman Materi 1. Efek fotolistrik adalah proses lepasnya elektron-elektron dari permukaan logam yang disinari. • Energi kinetik maksimum foto-elektron dirumuskan 𝐸𝐾𝑚𝑎𝑘𝑠 = ℎ𝑓 – 𝑊𝑜 • Saat efek fotolistrik telah terjadi, meningkatkan frekuensi menyebabkan energi kinetik maksimum foto-elektronnya bertambah (kecepatan gerak foto-elektron bertambah) • Saat efek fotolistrik telah terjadi, meningkatkan intensitas cahaya yang diradiasikan ke logam menyebabkan jumlah foto-elekron semakin banyak 2. Efek Compton peristiwa terhamburnya foton saat menumbuk electron yang diam ketika disnari dengan foton yang berenergi lebih besar dari energi ambang logam. Ketika terhambur foton megalami perubahan panjang gelombang sesuai persamaan ℎ 𝛥𝜆 = 𝜆’ – 𝜆 = ( 1 − 𝑐𝑜𝑠 𝜃 ) 𝑚𝑜 𝑐 3. Efek fotolistrik dan efek Compton tidak dapat dijelaskan dengan teori fisika klasik yng memandang cahaya sebagai gelombang elektromagnetik, tetapi dapat dijelaskan oleh Einstein dengan teori kuantum cahaya yang memandang cahaya berprilaku seperti partikel. Karena cahaya (foton) mimiliki sifat partikel maka memiliki momentum 𝑝=



ℎ 𝐸 ℎ𝑓 = = 𝜆 𝑐 𝑐



4. Louis de Broglie berhipotesis kemudian dibuktikan oleh Davisson dan Germer bahwa partikel yang bergerak mimiliki sifat partikel sehingga memiliki panjang gelombang ℎ 𝜆= 𝑚𝑣



d. Penugasan Buatlah makalah dengan tema penerapan efek foto listrik, efek Compton, dan sinar X dalam berbagai produk teknologi



18



e. Latihan Soal Pilihlah salah satu jawaban yang paling tepat ! 1. Perhatikan pernyataan yang berhubungan dengan peristiwa efek fotolistrik berikut! (1) Intensitas cahaya yang disinarkan ke logam mempengaruhi laju keluarnya elektron dari permukaan logam. (2) Energi kinetik elektron yang keluar dari permukaan logam tergantung pada foton cahaya. (3) Keluarnya elektron dari permukaan logam tidak tergantung pada jenis logam. (4) Dengan mengatur intensitas cahaya, elektron akan keluar dari permukaan logam walaupun frekuensi cahaya lebih kecil dari pada frekuensi ambang logam. (5) Jumlah elektron yang keluar dapat ditingkatkan dengan menaikkan panjang gelombang cahaya. Pernyataan yang benar adalah…. A. (2) saja B. (2) dan (3) C. (4) dan (5) D. (1), (2) dan (3) E. (1), (4) dan (5) 2. Sinar dengan panjang gelomabang λ menumbuk elektron bermassa m yang mula-mula diam. Sinar terhambur hingga panjang gelombangnya menjadi λ’, dan elektron terpental dengan energi E. λ'



λ



3.



θ



Pernyataan berikut yang benar adalah…. A. λ’ – λ nilainya semakin kecil nilainya ketika θ makin besar. B. Energi elektron terhambur adalah E= hc (’ – ), dengan h= konstanta Planck. C. Perubahan panjang gelombang foton maksimum adalah ∆ = h/moc. D. Elektron menyerap seluruh energi foton sinar yang menumbuknya E. Elektron terhambur memiliki energi paling besar saat sinar yang mengenai elektron berbalik arah Grafik berikut menjelaskan tentang fenomena efek fotolistrik.



EK (eV) 4,08 1 eV= 1,6 x 10-19 J h = 6,6 x 10-34 Js a



b



f(Hz)



1,2



1) 2) 3) 4)



a= frekuensi cahaya minimum yang digunakan= 2,9  1014 Hz Energi minimal untuk melepaskan elektron 1,92 x 10-19 J b= frekuensi cahaya digunakan= 8  1014 Hz Jika b > 8  1014 Hz, jumlah foto-elektron semakin banyak 19



Pernyataan yang benar adalah…. A. 1) saja B. 1) dan 3) C. 2) dan 4) D. 1), 2), dan 3) E. 1), 2), 3), dan 4) 4. Perhatikan pernyataan tentang peristiwa fotolistrik berikut! 1) Energi foton diberikan pada elektron digunakan untuk melepaskan diri dari logam dan sisanya menjadi energi kinetik elektron foto. 2) Foton lenyap dan seluruh energinya diberikan pada electron. 3) Makin besar intensitas foton makin besar energi kinetik elektron foto. 4) Kecepatan elektron foto akan meningkat dengan memperbesar frekuensi cahaya. Pernyataan yang benar adalah…. A. 1) dan 3) B. 1) dan 4) C. 2) dan 3) D. 2) dan 4) E. 3) dan 4) 5. Perhatikan pernyataan berikut ! 1. Elektron dapat keluar dari logam saat permukaan logam disinari gelombang elektromagnetik 2. Lepas tidaknya elektron dari logam ditentukan oleh frekuensi cahaya yang datang 3. Fungsi kerja untuk setiap logam tidak sama Pernyataan yang benar berkaitan dengan efek fotolistrik adalah .... A. (1) saja B. (3) saja C. (1) dan (2) D. (1) dan (3) E. (1), (2), dan (3) 6. Perhatikan pernyataan yang berhubungan dengan peristiwa efek fotolistrik berikut! (1) Intensitas cahaya yang disinarkan ke logam mempengaruhi laju keluarnya elektron dari permukaan logam. (2) Energi kinetik elektron yang keluar dari permukaan logam tergantung pada foton cahaya. (3) Keluarnya elektron dari permukaan logam tidak tergantung pada jenis logam. (4) Dengan mengatur intensitas cahaya, elektron akan keluar dari permukaan logam walaupun frekuensi cahaya lebih kecil dari pada frekuensi ambang logam. (5) Jumlah elektron yang keluar dapat ditingkatkan dengan menaikkan panjang gelombang cahaya. Pernyataan yang benar adalah….



7.



A. (2) saja B. (2) dan (3) C. (4) dan (5) D. (1), (2) dan (3) E. (1), (4) dan (5) Bola lampu mempunyai spesifikasi 132 W/220 V, ketika dinyalakan pada sumber tegangan 110 V memancarkan cahaya dengan panjang gelombang 628 nm. Bila lampu meradiasikan secara seragam ke segala arah, maka jumlah foton yang tiba persatuan waktu persatuan luas di tempat yang berjarak 2,5 m dari lampu adalah ….(h =6,6 × 10-34 J.s) A. 1,33 . 1018 foton/s.m2 B. 2,33 . 1018 foton/s.m2 C. 3,33 . 1018 foton/s.m2 20



D. 4,33 . 1018 foton/s.m2 E. 5,33 . 1018 foton/s.m2 8. Permukaan suatu lempeng logam tertentu disinari dengan cahaya monokromatis. Percoban ini diulang dengan Panjang gelombang cahaya yang berbeda. Ternyata, tidak ada elektron yang keluar jika lempeng disinari dengan panjang gelombang di atas 500 nm. Dengan menggunakan panjang gelombang tertentu 𝜆, ternyata dibutuhkan tegangan 3,1 volt untuk menghentikan arus fotolistrik yang terpancar dari lempeng. Panjang gelombang 𝜆 tersebut adalah .... A. 223 nm B. 273 nm C. 332 nm D. 384 nm E. 442 nm 9. Sebuah foton dengan panjang gelombang 0,4 nm menumbuk elektron yang diam. Setelah bertumbukan foton dihamburkan dengan sudut 120o terhadap arah semula. Panjang gelombang foton setelah bertumbukan adalah .... A. 0,4000 nm B. 0,4006 nm C. 0,4036 nm D. 0,4460 nm E. 0,7600 nm 10. Permukaan suatu logam disinari cahaya yang panjang gelombangnya 300 nm. Jika kecepatan cahaya 3 x 108 m/s, tetapan Plank 6,63 x 10-34 Js dan fungsi kerja logam itu 3,2 x 10-19 J, maka besarnya energi kinetik maksimum elektron yang dipancarkan adalah .... A. 6,63 x 10-15 J B. 3,43 x 10-19 J C. 2,43 x 10-19 J D. 3,20 x 10-19 J E. 3,20 x 10-34 J



f. Penilaian Diri Jawablah pertanyaan di bawah ini dengan jujur, sesuai dengan kemampuan kalian. Cara menjawabnya adalah dengan memberikan centang (√) di kolom yang disediakan. No 1 2 3 4



Pernyataan



Ya



Tidak



Keterangan



Saya mampu menganalisis secara kualitatif terjadinya efek foto listrik Saya mampu menganalisis secara kualitatif terjadinya efek Compton Saya mampu menjelaskan teori kuantum cahaya Einstein Saya mampu menjelaskan sifat partikel dari foton cahaya



Keterangan: Apabila kalian menjawab pernyataan jawaban Ya, berarti telah memahami dan menerapkan semua materi. Bagi yang menjawab tidak silahkan mengulang materi yang terkait.



21



Evaluasi A. Pilihlah salah satu jawaban yang paling tepat ! 1. Energi yang diradiasikan tiap sekon oleh benda hitam pada suhu 27 C adalah 324 joule/sekon. Jika benda hitam tersebut dipanaskan sehingga suhunya menjadi 227 C, maka energi yang diradiasikan tiap sekon adalah …. A. 3000 J/s B. 2500 J/s C. 1250 J/s D. 900 J/s E. 540 J/s 2. Sebuah benda hitam bersuhu 127 C. jika konstanta Wien 2,9 x 10-3 m.K, maka panjang gelombang radiasi benda tersebut saat intensitasnya maksimum adalah …. A. 7,25 x 10-6 m B. 7,00 x 10-6 m C. 3,50 x 10-6 m D. 2,28 x 10-6 m E. 1,50 x 10-6 m 3. Sebuah benda hitam suhunya 1727oC. jika konstanta Wien = 2,898 x 10-3 m.K, maka rapat energi maksimum yang dipancarkan benda itu terletak pada panjang gelombang maksimum sebesar …. A. 12,4 m B. 7,3 m C. 5,8 m D. 1,7 m E. 1,4 m 4. Kuantum energi yang terkandung di dalam sinar ultraviolet dengan panjang gelombang 3300 Å konstanta Planck 6,6 x 10-34 Js dan kecepatan cahaya 3 x 108 m/s. adalah … A. 6,6 x 10-19 J B. 6,0 x 10-19 J C. 3,3 x 10-19 J D. 3,0 x 10-19 J E. 2,0 x 10-19 J 5. Lampu 33 watt memancarkan cahaya dengan frekuensi 2,5 x 1014 Hz. Jika lampu tersebut dinyalakan dalam 0,5 menit, menurut teori Planck jumlah foton yang dipancarkan lampu adalah ….( h= 6,6 x 10-34 Js) A. 1020 B. 1019 C. 6 x 1021 D. 6 x 1020 E. 6 x 1019 6. Berdasarkan percobaan Compton dapat disimpulkan …. (1)setelah cahaya bertumbukan dengan elektron panjang gelombangnya bertambah 2ℎ (2)perubahan panjang gelombang cahaya terbesar memiliki harga 𝛥𝜆 = (3)cahaya berprilaku seperti partikel (4)sebagian energi cahaya (foton) terserap oleh elektron Pernyataan yang benar adalah… A. (2) dan (4) B. (3) dan (4) C. (1), (2), dan (3)



𝑚𝑜 𝑐



22



7.



D. (2), (3), dan (4) E. (1), (2), (3), dan (4) Grafik berikut menjelaskan tentang fenomena efek fotolistrik. EK (eV) 4,0 1 eV= 1,6 x 10-19 J h = 6,6 x 10-34 Js



a



b



f(Hz)



-1,6



8.



9.



Perhatikan pernyataan berikut: (1) energi kinetik fotoelektron yang terpancar besarnya antara 0 – 5,6 eV (2) energi minimal untuk melepaskan elektron 1,6 eV (3) panjang gelombang cahaya maksimum yang digunakan sekitar 7700 Ao (4) Ketika energi kinetic elektronfoto 4,0 eV, cahaya yang digunakan berfrekuensi kira-kira 1,36 x 1015 Hz, Pernyataan yang benar adalah…. A. (1) dan (3) B. (2) dan (4) C. (1), (2), dan (3) D. (2), (3), dan (4) E. (2) saja Sebuah elektron yang dipercepat melalui beda potensial 100 volt mempunyai laju v =5,93 x 106 m/s. Jika massa elektron 9,11 x 10-31 kg dan h = 6,626 x 10-34 J.s, panjang gelombang de Broglie elektron tersebut adalah …. A. 1,23 x 10-10 m B. 1,23 x 10-8 m C. 1,23 x 10-7 m D. 1,23 x 10-6 m E. 1,23 x 10-4 m Suatu logam memiliki fungsi kerja 3,3 eV (1eV= 1,6 x 10-19J, h= 6,6 x 10-34 Js) disinari dengan cahaya yang memiliki foton tertentu. (1) Supaya terjadi efek fotolistrik cahaya yang digunakan harus lebih dari 8 x 10 14 Hz berapapun intensitasnya. (2) Supaya terjadi efek fotolistrik cahaya yang digunakan bisa kurang dari 8 x 1014 Hz asal intensitasnya tinggi. (3) Saat frekuensi cahaya telah memenuhi terjadinya efek fotolistrik, jumlah elektron foto akan semakin banyak jika intensitas cahaya dinaikkan. (4) Saat frekuensi cahaya telah memenuhi terjadinya efek fotolistrik, Energi kinetik elektron foto akan semakin besar jika intensitas cahaya dinaikkan. Pernyataan yang benar adalah…. A. (1) dan (2) B. (1) dan (3) C. (2) dan (4) D. (2) dan (3) E. (3) dan (4)



23



10. Foton sinar-X dengan kelajuan c dan panjang gelombang A bertumbukan dengan elektron bebas bermassa mo yang mula-mula diam. Setelah tumbukan, elektron akan bergerak dan foton akan dihamburkan dengan sudut tertentu dan panjang gelombangnya menjadi B. Perhatikan pernyataan berikut berkaitan dengan peristiwa terseut di atas: (1)Perubahan panjang gelombang foton maksimum terjadi saat foton berbalik arah. (2)Energi elektron terhambur adalah E= hc(1/A – 1/B), dengan h= konstanta Planck. (3)Perubahan panjang gelombang foton maksimum adalah ∆ = 2h/moc. (4)Elektron menyerap seluruh energi foton sinar –X. Pernyataan yang benar adalah…. A. (1), (2), dan (3) B. (1) dan (3) C. (2) dan (4) D (4) saja E. (1), (2), (3), dan (4) 11. Suatu logam kalium disinari cahaya ultraviolet dengan panjang gelombang 2500 Ao. Jika fungsi kerja kalium 2,21 eV, konstanta Planck 6,63  10−34 Js, kecepatan cahaya 3  108 m/s, dan 1 eV = 1,6  1019 J, maka energi kinetik elektron yang dipancarkan adalah .... A. 4,42 eV B. 2,76 eV C. 0,276 eV D. 0,3 eV E. 0,4 eV 12. Katode pada tabung fotolistrik mempunyai frekuensi ambang fo. Bila katode disinari dengan cahaya berfrekuensi f, maka elektron yang keluar katode berkecepatan maksimum vmaks dan potensial penghenti yang diperlukan agar arus listrik menjadi nol adalah V0. Jarak anode katode d, massa elektron m, dan muatan elektron e. Perhatikan pernyataan hubungan antara besaran-besaran di atas berikut ini: 1 2 (1) e.V0 = 2 𝑚𝑣𝑚𝑎𝑘𝑠 (2) besarnya perlambatan elektron 𝑒 (3) f = ℎV0 – f0



2 𝑣𝑚𝑎𝑘𝑠



2𝑑 𝑉



(4) Kuat medan listrik yang memperlambat E = 𝑑0 Pernyataan yang benar adalah…. A. 1) dan 2) B. 1) dan 3) C. 2) dan 4) D. 1), 2), dan 3) E. 1), 2), 3), dan 4) 13. Elektron yang massanya 9,0  10−31 kg bergerak dengan laju 2,2  107 m/s. Jika konstanta Planck = 6,6  10−34 Js, maka panjang gelombang elektron tersebut adalah .... A. 2,6  10−11 m B. 3,0  10−11 m C. 3,3  10−11 m D. 3,6  10−11 m E. 4,0  10−11 m 14. Lampu memancarkan cahaya yang Panjang gelombangnya 6600 Ao . Jika kostanta Planck 6,6 x 10-34 Js, foton cahaya lampu tersebut memiliki momentum sebesar …. A. 10-41 kg m/s B. 4,356 x 10-41 m/s C. 10-37 kg m/s D. 10-27 kg m/s 24



E. 4,356 x 10-30 m/s 15. Pada efek Compton, foton yang menumbuk elektron mengalami perubahan panjang gelombang sebesar



ℎ 2𝑚0 𝑐



, dengan h = tetapan Planck, m0 = massa diam elektron, dan c =



kecepatan foton. Besar sudut hamburan yang dialami foton tersebut adalah …. A. 30 B. 60 C. 90 D. 120 E. 180 II. Kerjakan soal-soal di bawah ini! 1. Berapakah panjang gelombang elektromagnetik yang diradiasikan besi bersuhu 307 0C saat intensitasnya maksimum (konstanta pergeseran Wien 2,9 x 10-3 mK) 2. Daya rata rata yang dihasilkan oleh matahari ialah 3,96 x 1026 W. Dengan asumsi bahwa rata rata panjang gelombang yang dipancarkan matahari ialah 500 nm, tentukanlah jumlah foton yang dipancarkan matahari dalam satu detik! (h=6,6 x 10-34 Js) 3. Grafik berikut menunjukkan hubungan energi kinetik elektron foto dengan frekuensi cahaya yang digunakan untuk menyinari logam pada percobaan efek fotolistrik. Ek (eV) 4



fc



f (Hz)



-3,7



Dari grafik diatas hitung harga fc 4. Elektron bermassa 9,1 x 10 -31 kg dan konstanta Plack 6,63 x 10-34 Js. Harus bergerak dengan kecepatan berapakah elektron supaya memiliki sifat gelombang dengan panjang gelombang 6630 A0 5. Sinar-X dengan frekuensi 3 x1019 Hz menumbuk elektron berilium yang mula-mula diam. Ternyata sinar terhambur dengan sudut 600. Jika massa elektron 9 x 10-31 kg dan h=6,63 x 1034 Js, hitung: a. frekuensi sinar-X setelah terhambur b. energi kinetik elektron setelah tertumbuk sinar-X



Daftar Pustaka



Sutarno, et al. (2017). Radiasi Benda Hitam dan Efek Fotolistrik Sebagai Konsep Kunci Revolusi Saintifik dalam Perkembangan Teori Kuantum Cahaya. Titian Ilmu: Jurnal Ilmiah Multi Sciences Vol. IX No. 2 Halaman: 51 – 58, 2017 Yossi A, (2017). Pendalaman Materi Fisika: Mekanika Kuantum. Jurdik Fisika UNY Abdullah Sani R, & Kadri, Muhammad . (2017).Fisika Kuantum. Jakarta: Bumi Aksara Kanginan, Marthen. (2017). Fisika Untuk SMA/MA Kelas XII. Jakarta: Erlangga Halliday, David. Resnick, Robert. (1996). Fisika. Jilid 1 &2 (terjemahan). Edisi ketiga. Jakarta: Erlangga 25



Lampiran KUNCI JAWABAN : Latihan Pembelajaran 1 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.



D A C E A B C C D B



Latihan Pembelajaran 2 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.



A E D B E A A A C B



Evaluasi I. Soal Pilihan Ganda 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.



B A E E C E D A B A B E C D B



26



II. Soal Uraian 1. 𝜆= 5 x 10-6 m 2. n= 1019 buah foton 3. f= 1,87 x 1015 Hz 4. v= 1.099 m/s 5. a. f= 2,675 x 1019 Hz,



b. E= 2,15 x 10-15 J



27