Proposal Efek Fotolistrik [PDF]

Citation preview

EFEK FOTOLISTRIK PROPOSAL EKSPERIMEN FISIKA I



Oleh Nama



: Violita Riyanda Safitri



NIM



: 161810201043



Kelompok



: A9



Nama Asisten : Abdul Basri



LABORATORIUM FISIKA MODERN JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS JEMBER 2018



BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Praktikum efek fotolistrik dilakukan bertujuan untuk menentukan fungsi kerja (work function) suatu fotodioda. Praktikum ini uga bertujuan untuk menentukan nilai tetapan Planck (h) dan energi kinetik maksimum fotoelektron. Efek fotolistrik dapat digunakan pada kehidupan sehari-hari yaitu pada dunia hiburan. Bioskop menggunakan efek fotolistrik yaitu pada suara dubbing film yang direkam dalam bentuk sinyal optic di sepanjang pinggiran keping film. Film yang diputar sinyal akan dibaca kembali melalui proses efek fotolistrik dan sinyal listriknya diperkat dengan menggunakan amplifier tabung sehingga menghasilkan film bersuara. Efek fotolistrik adalah suatu proses dimana electron akan keluar dari permukaan logam ketika cahaya dengan frekuensi yang cukup tinggi datang pada permukaan logam tersebut. Fenomena effek foto listrik pertama kali ditemukan oleh Hertz ,yaitu bahwa permukaan logam yang bersih ketika disinari oleh cahaya ultra violet akan memancarkan partikel bermuatan listrik. Planck mengkuantisasi energi dari osilator osilator atomic, tetapi Einstein mengembangkan konsep dari kuantisasi dari cahaya itu sendiri. Dalam pemikiran Einstein , cahaya yang frekuensinya f terdiri dari foton foton , tiap foton memiliki energy E = hf (Sinaga). Praktikum efek fotolistrik dilakukan dengan cara merakit alat-alat yang telah disediakan. Sumber cahaya merkuri dihidupkan dan diamati bahwa sumber cahaya merkuri memncarkan lima spektrum. Hidupkan h/e apparatus. Atur posisi h/e apparatus sehingga salah satu spektrum cahaya sumber mengenai bagian tengah jendela fotodioda. Tekan tombol “push to zero” / “discharge” pada panel h/e apparatus untuk membuang muatan akumulasi pada fotodioda. 1.2 Rumusan Masalah Rumusan masalah yang digunakan pada eksperimen efek fotolistrik (h/e) yaitu : 1. Bagaimana pengaruh variasi filter transmisi terhadap potensial penghenti ? 2. Bagaimana pengaruh frekuensi cahaya terhadap potensial penghenti ? 3. Bagaimana perbandingan konstanta planck (h) secara referensi dan eksperimen ?



1.3 Tujuan Tujuan yang digunakan pada eksperimen efek fotolistrik (h/e) yaitu : 1. Mengetahui pengaruh variasi filter transmisi terhadap potensial penghenti. 2. Mengetahui pengaruh frekuensi cahaya terhadap potensial penghenti. 3. Mengetahui perbandingan konstanta planck (h) secara referensi dan eksperimen. 1.4 Manfaat Adanya eksperimen ini memberikan tambahan pengetahuan tentang aplikasi efek fotolistrik dalam kehidupan sehari-hari. Salah satunya yaitu dalam penggunaan suara dubbing film yang direkam dalam bentuk sinyal optik di sepanjang pinggiran keping film. Sinyal film ketika dibaca, sinyal ini diputar kembali melalui efek fotolistrik yang sinyal listriknya diperkuat dengan menggunakan amplifier tabung sehingga menghasilkan film bersuara.



BAB 2. DASAR TEORI 3.1 Sejarah Efek Fotolistrik Tahun 1899 J.J Thomson menemukan bahwa pada beberapa kondisi elektron



terpancar



dari



permukaan



logam



ketika



diberikan



radiasi



elektromagnetik. Gejala ini sebenarnya pernah ditemukan sebelumnya oleh dua orang ilmuwan yaitu H. Hertz 1887 yang menemukan adanya partikel bermuatan yang lepas dari permukaan logam saat dikenai berkas cahaya, pada saat itu Hertz belum bisa menjelaskan mengenai partikel bermuatan tersebut. Ilmuwan lainnya adalah Lenard yang pada 1898 menemukan bahwa muatan dan massa partikel yang terpancar dari logam tersebut mirip dengan muatan



dan massa elektron. Fenomena ini kemudian dikenal dengan peristiwa Efek Fotolistrik. Tiga tahun kemudian yaitu 1902 P. Lenard mempelajari bahwa saat keluar dari logam elektron memiliki kecepatan tertentu serta energi yang dimiliki elektron ini tidak bergantung pada intensitas cahaya. Ini adalah hal yang tidak diduga sebelumnya. Peningkatan intensitas hanya mengakibatkan meningkatnya jumlah elektron yang teremisi, dan sama sekali tidak mengubah energi elektron. Dia juga menemukan bahwa energi maksimum elektron sangat bergantung pada panjang gelombang cahaya, dan jika panjang gelombang lebih pendek (frekuensi cahaya yang lebih besar) akan menghasilkan energi maksimum elektron yang lebih besar (Daud, 2005). Einstein sangat terkenal dengan teori relativitasnya, tetapi justru berhasil mendapatkan hadiah Nobelnya pada tahun 1921 karena penelitiannya tentang efek Fotolistrik. Einstein menyelesaikan paper yang menjelaskan efek fotolistrik ini pada tanggal 17 Maret 1905 dan mengirimkannya ke jurnal Annalen der Physik. Di dalam paper tersebut Einstein untuk pertama kalinya memperkenalkan istilah kuantum (paket) cahaya. Pada pendahuluan paper ia memberikan argumentasi bahwa proses-proses seperti radiasi benda hitam, fotoluminesens, dan produksi sinar katoda, hanya dapat dijelaskan jika energi cahaya tersebut tidak terdistribusi secara kontinyu. Penemuan teori efek fotolistrik ini ternyata menjadi latar belakang lahirnya fisika modern yang memiliki beberapa ketidaksesuaian dengan asumsi-asumsi fisika yang selama itu diyakini kebenarannya. Salah satunya adalah teori Maxwell yang berhasil memadukan fenomena listrik-magnet hingga sampai pada kesimpulan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik (Agus, 1999). 2.2 Pengertian Efek Fotolistrik Menurut Sinaga, Efek fotolistrik adalah suatu proses dimana electron akan keluar dari permukaan logam ketika cahaya dengan frekuensi yang cukup tinggi datang pada permukaan logam tersebut. Fenomena effek foto listrik pertama kali ditemukan oleh Hertz ,yaitu bahwa permukaan logam yang bersih ketika disinari oleh cahaya ultra violet akan memancarkan partikel bermuatan listrik. Planck



mengkuantisasi



energi



dari



osilator



osilator



atomic,



tetapi



Einstein



mengembangkan konsep dari kuantisasi dari cahaya itu sendiri. Dalam pemikiran Einstein , cahaya yang frekuensinya f terdiri dari foton foton , tiap foton memiliki energy E = hf. Gejala fotolistrik merupakan munculnya arus listrik akibat permukaan suatu bahan logam disinari. Arus listrik yang muncul merupakan arus elektron bermuatan negatif. Sinar yang datang dipermukaan bahan menyebabkan elektron tereksitasi. Gejala efek fotolistrik telah dikenal sejak lama. Pada tahun 1887 Hallwach mengamati bahwa pelat yang dilapisi seng yang bermuatan negatif kehilangan muatannya jika disinari ultraviolet. Teori fisika klasik berusaha memberikan



penjelasan



terkait



fakta



ini.



Menurut



teori



gelombang



elektromagnetik, intensitas merupakan kerapatan laju energi cahaya. Jika intensitas cahaya yang datang pada permukaan bahan makin besar, maka laju energi (energi per detik yang datang pada permukaan bahan) juga semakin besar, dengan demikian jumlah elektron yang dipancarkan seharusnya semakin besar. Selain itu, elektron akan tereksitasi dari pelat bila intensitas cahanya cukup, berapapun frekuensi sinar yang digunakan (Gie et al, 1999). Gejala fotolistrik selanjutnya diamati oleh Lenard pada tahun 1902. Lenard menemukan bahwa jika pelat (seng) disinari dengan sinar ultraviolet, maka elektron akan lepas dan meninggalkan pelat dengan fakta-fakta: (1) kecepatan elektron yang lepas dari seng tidak bergantung pada intensitas cahaya, tetapi hanya bergantung pada frekuensi (atau panjang gelombang) sinar yang digunakan, (2) pada logam tertentu, tak terdapat pancaran elektron jika frekuensi cahaya yang digunakan lebih kecil dari suatu frekuensi tertentu. Berdasarkan hasil eksperimen juga diketahui bahwa elektron tidak dapat dipancarkan pada sembarang nilai panjang gelombang (frekuensi), meskipun intensitasnya dibuat besar. Fenomena yang teramati oleh Lenard sangat bertentangan dengan teori fisika klasik. Faktafakta yang teramati sama sekali berbeda dengan eksplanasi fisika klasik (Krane, 1992). Menurut Sinaga, Penelitian lebih mendalam tentang fenomena effek foto listrik dilakukan oleh Philip Lenar. Hasil percobaan efek photo listrik yang dilakukan oleh Philip Lenard (1902).



Gambar 2.1 Hasil percobaan efek fotolistrik (Sumber : Sinaga)



1.



Energi kinetic rata rata electron foto tidak bergantung pada intensitas cahaya yang digunakan K = eVo ,dengan Vo adalah stopping potensial. Memperbesar intensitas hanya menyebabkan makin banyaknya electron foto yang dihasilkan atau arus yang terukur oleh amperemeter makin besar, namun energi kinetic elektronfoto tetap sama.



2.



Energi kinetic electron foto akan makin besar bila frekuensi cahaya yang digunakan untuk menyinari permukaan logam bertambah besar



3.



Tiap jenis logam memiliki cut off frekuensi(frekuensi ambang) yang berbeda beda, bila cahaya yang datang pada permukaan logam frekuensinya lebih kecil dari frekuensi ambangnya maka tidak akan terjadi efek foto listrik meskipun intensitas cahayanya cukup besar. Menurut Muljono (2003), teori kuantum mampu menjelaskan peristiwa efek



fotolistrik karena menurut teori kuantum, foton memiliki energi yang sama, yaitu sebesar



, sehingga menaikkan intensitas foton berarti hanya menambah



banyaknya foton, tidak menambah energi foton selama frekuensi foton tetap. Menurut Einstein, energi yang dibawa oleh foton adalah dalam bentuk paket, sehingga jika diberikan pada elektron akan diberikan seluruhnya dan foton tersebut lenyap. Oleh karena elektron terikat pada energi ikat tertentu, maka diperlukan energi minimal sebesar energi ikat elektron tersebut. Besarnya energi



minimal yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari energi ikatnya disebut fungsi kerja



atau energi ambang. Besarnya



tergantung pada jenis logam



yang digunakan. Apabila energi foton yang diberikan pada elektron lebih besar dari fungsi kerjanya, maka kelebihan energi tersebut akan berubah menjadi energi kinetik elektron. Akan tetapi jika energi foton lebih kecil dari energi ambangnya tidak akan menyebabkan elektron terlepas dari logam. Frekuensi foton terkecil yang mampu meampu melepaskan elektron dari logam disebut frekuensi ambang. Sebaliknya panjang gelombang terbesar yang mampu melepaskan elektron dari logam disebut pa,njang gelombang ambang. Sehingga hubungan antara energi foton, fungsi kerja dan energi kinetik fotoelektron dapat dinyatakan dalam persamaan : (1.2) (1.3) Sehingga, (1.4)



BAB 3. METODE EKSPERIMEN Metode eksperimen adalah cara penyajian dengan suatu percobaan, disebut juga sebagai tahapan-tahapan sistematis dalam melakukan eksperimen. Dalam hal ini terdapat rancangan eksperimen, jenis dan sumber data eksperimen, variable eksperimen dan skala pengukuran, metode analisis data dan kerangka pemecahan masalah. 3.1 Rancangan Penelitian



Secara garis besar, skema dari rancangan kegiatan eksperimen ditampilkan dalam bentuk diagram alir yang ditunjukkan pada gambar 3.1: Identifikasi Permasalahan Kajian Pustaka Variabel Penelitian Kegiatan Eksperimen Data Analisis Gambar 3.1 Diagram Alir Rancangan Kegiatan Penelitian Langkah awal untuk melakukan eksperimen Efek Fotolistrik (h/e) yaitu Kesimpulan mencari permasalahan dalam percobaan Efek Fotolistrik (h/e). Dilanjutkan dengan melakukan kajian pustaka mengenai cara pengukuran efek fotolistrik. Selanjutnya menyiapkan alat dan bahan dan mulai merangkai alat yang digunakan pada eksperimen efek fotolistrik. Eksperimen dilakukan dengan pengambilan data panjang gelombang, frekuensi dan potensial penghenti, maka tahap terakhir dapat menyimpulkan hasil praktikum efek fotolistrik. 3.2 Jenis dan Sumber Data Eksperimen yang dilakukan bersifat kuantitatif, dimana data yang diperoleh dari hasil pengukuran objektif. Data yang akan diambil berupa data kuantitas berupa nilai Panjang Gelombang (λ), Frekuensi (ν), Potensial Penghenti (Volt), serta filter transmisi dan warna spektrum dalam satu kali pengukuran. Data yang diperoleh bervariasi. Semakin bervariasi berpengaruh pada ketelitian percobaan yang sedang dilakukan. 3.3 Devinisi Operasional Variabel 3.3.1



Variabel Bebas Variabel bebas yaitu faktor-faktor yang nantinya akan diukur, dipilih, dan



dimanipulasi oleh peneliti untuk melihat hubungan di antara fenomena atau



peristiwa yang diteliti atau diamati. Variabel bebas dalam percobaan efek fotolistrik adalah filter transmisi dan warna. 3.3.2



Variabel Terikat Variabel terikat yaitu faktor-faktor yang diamati dan diukur oleh peneliti



dalam sebuah penelitian, untuk menentukan ada tidaknya pengaruh dari variabel bebas. Variabel terikat dalam percobaan efek fotolistrik adalah potensial penghenti, panjang gelombang dan frekuensinya. 3.3.3



Variabel Kontrol Variabel kontrol merupakan variabel yang diupayakan untuk dinetralisasi



oleh sang peneliti dalam penelitiannya tersebut dan variabel inilah yang menyebabkan hubungan di antara variabel bebas dan juga variabel terikat bisa tetap konstan. Variabel kontrol dalam percobaan efek fotolistrik adalah orde warna.



3.3 Metode Analisis Analisis data yang digunakan dalam Eksperimen Efek Fotolistrik adalah : 3.4.1 Tabel Pengamatan Tabel 3.1 Pengaruh Filter Transmisi terhadap Besar Potensial Penghenti Filter Transmisi (%) 20 40 60 80



Kuning



Potensial Penghenti (Volt) Hijau Biru Ungu



Ultraungu



Tabel 3.2 Pengaruh Frekuensi Gelombang Elektromagnetik terhadap Besar Potensial Penghenti



Warna Kuning Hijau



Frekuensi (Hz)



Panjang gelombang (m)



Potensial Penghenti (Volt)



H



Biru Ungu Ultraungu



3.4.2 Grafik Grafik hubungan antara potensial penghenti dengan frekuensi dapat digambarkan sebagai berikut:



Gambar 3.2 Grafik Hubungan V dengan v



3.4.3 Skala Pengukuran Skala pengukuran yang digunakan dalam eksperimen efek fotolistrik adalah skala pengukuran interval, dimana variabel yang dihasilkan dari pengukuran. Rumus perhitungan yang digunakan dalam percobaan efek fotolistrik adalah sebagai berikut:



3.5 Kerangka Pemecahan Masalah 3.5.1 Waktu dan Tempat Ekperimen Eksperimen Efek Fotolistrik (h/e) dilakukan pada hari Senin, tanggal 24 September 2018 pukul 15.10 – 17.50 WIB dan bertempat di Laboratorium Fisika Modern dan Optoelektronika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Jember Mulai Peralatan Eksperimen dihidupkan Variasi Frekuensi



Menggunakan Filter Transmisi



Tanpa Menggunakan Filter Transmisi



Potensial Penghenti Selesai



Gambar 3.3 Kerangka Pemecahan Masalah



3.5.2 Set Kerangka Pemecahan Masalah a. Bagian Pertama



Gambar 3.4 Diagram alur prosedur penelitian pertama



b.



Bagian Kedua



Gambar 3.5 Diagram alur prosedur penelitian kedua



3.6 Prosedur Eksperimen



3.6.1 Langkah Kerja Adapun langkah kerja yang akan dilakukan pada eksperimen efek fotolistrik antara lain : a. 1) 2) 3) 4) 5)



Peralatan disusun seperti gambar 3.4 Peralatan h/e dan sumber cahaya merkuri dalam keadaan OFF. Light block di bagian belakang sumber cahaya merkuri, h/e accessory kit diletakkan di depan sumber cahaya, Lensa/ grating diletakkan pada penyangga h/e accessory kit,



Voltmeter digital dipasang pada h/e apparatus,



Gambar 3.6 Desain Percobaan Efek Fotolistrik



b.



Sumber cahaya merkuri dihidupkan, tunggu kira-kira 5 menit sehingga



c.



muncul cahaya, Sumber cahaya merkuri diamati hingga memancarkan lima spektrum. Spektrum-spektrum orde satu, orde dua, dan orde tiga dapat diamati dengan meletakkan kertas putih di depan grating. Perhatikan : Pada bagian depan h/e apparatus terdapat layar putih yang terbuat dari bahan fluorescence khusus. Bahan ini akan berpendar ketika terkena sinar ultraviolet dan akan nampak berwarna biru. Ketika mengarahkan spektrum ultra violet yang terdifraksi



d.



oleh kisi maka akan nampak garis yang makin biru. h/e apparatus dihidupkan. Posisi h/e apparatus diatur sehingga salah satu spektrum cahaya sumber mengenai bagian tengah jendela fotodioda. Jendela fotodioda dapat dilihat dengan memutar silinder hitam unit h/e ke luar.



e.



Spektrum yang paling terang dipilih. Jendela fotodioda ditutup kembali. Tombol “push to zero” / “discharge” ditekan pada panel h/e apparatus untuk membuang muatan akumulasi pada fotodioda. Ini akan membuktikan bahwa apa yang diukur merupakan harga potensial penghenti yang sesungguhnya.



Bagian I



f.



Posisi h/e apparatus diatur sehingga salah satu spektrum cahaya sumber



g. h.



masuk ke dalam fotodioda, Filter warna kuning digunakan untuk spektrum kuning, Filter yang dipilih diletakkan tepat di depan reflektif h/e apparatus dengan



i.



menempelkan pada komponen holder. Relative transmission diletakkan dan diposisikan di depan reflektif h/e apparatus (atau di depan filter jika menggunakan filter). Dipilih angka 100% intensitas spektrum ditransmisikan menuju fotodioda. Tombol “discharge”



j. k.



ditekan lalu dilepaskan. Tegangan yang terbaca pada voltmeter dicatat. Relative transmission digeser pada harga yang lebih rendah; 80%, 60%, 40%



l.



dan 20%. Langkah No. 10 dan 11 diulangi untuk warna-warna yang lain.



Bagian II m. Selanjutnya, dilakukan langkah berikut. Posisi h/e apparatus diatur sehingga spektrum warna kuning pada orde satu tepat mengenai jendela fotodioda. Filter warna kuning diletakkan di depan h/e apparatus. Tombol push zero, n. o.



ditekan lalu dilepaskan. Tegangan output (potensial penghenti) dicatat. Langkah No.13 dan 14 diulangi langkah No.13 dan 14 untuk setiap warna spektrum yang ada. Filter warna hijau digunakan ketika anda mulai mengukur spektrum cahaya hijau. Spectrum yang lainnya diamati tanpa filter. Pengukuran secara berurutan dilakukan dari gelombang panjang ke gelombang pendek (kuning ke ultraviolet).



DAFTAR PUSTAKA Agus. 1999. Fisika Kuantum. Yogyakarta: Penerbit Gaya Media. Daud M. Jasruddin. 2005. Pengantar Fisika Modern. Badan Penerbit UNM Makassar: Makassar. Gie, T.I, et al. 1998. Fisika Modern. Jakarta: Departemen Pendidikan Nasional. Krane, K.S. 1992. Fisika Modern. Terjemahan Hans J. Wospakrik. Jakarta: Universitas Indonesia Press.



Muljono. 2003. Fisika Modern. Yogyakarta: Andi. Sinaga. FISIKA III. Bandung. Universitas Pendidikan Indonesia. Tim



Penyusun.



2017.



Buku



Panduan



Praktikum



Eksperimen.



Jember:



Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA Universitas Jember.