Efek Fotolistrik [PDF]

Citation preview

EFEK FOTOLISTRIK Ayunita Alfiani1), M. T. Prasetia N 2), Nabesan3), Zahida A.Z. 4) Indri Eka Putri Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika Universitas Negeri Makassar e-mail: [email protected] , [email protected] [email protected] [email protected].



Abstrak. Telah dilakukan sebuah percobaan Efek Fotolistrik. Tujuan dari percobaan ini adalah mengamati perilaku cahaya sebagai partikel menurut teori kuantum dan menentukan konstanta Planck. Pada percobaan ini dilakukan dua kegiatan dimana pada kegiatan pertama untuk mengetahui bagaimana karakteristik cahaya menurut teori kuantum dan kegiatan kedua untuk mengetahui pengaruh panjang gelombang terhadap potensial penghenti. Hasil dari percobaan adalah mengetahui bahwa perilaku cahaya sebagai partikel menurut teori kuantum yaitu munculnya arus listrik akibat permukaan suatu bahan logam disinari, arus listrik yang muncul ini adalah elektron yang bermuatan negatif. Berdasarkan hasil analisis data, diperoleh nilai konstanta Planck yaitu ℎ = |6,408 ± 0,043| × 10−34 𝐽𝑠. Kata Kunci: Efek Fotolistrik, Konstanta Planck. Abstrack. Had been an experiment Photoelectrick Effect. The objective of this experiment are observe the behavior of light as particle according quantum’s theory and determine the Planck constant. In this experiment there are two activities, the first activity is known how the characteristic of light behavior quantum’s theory and the second activity is known effect the length of wave toward barrier potential. Result of this experiment is known if the behavior of light as particle according quantum’s theory is appearing the electric current consequuence of surface a metal irradiated, this electric current is negative electron. Based on result of data analysis, obtained Planck constant value is ℎ = |6,408 ± 0,043| × 10−34 𝐽𝑠. Keyword: Photoelectric effect, Planck Constant. A.



PENDAHULUAN



Efek fotolistrik merupakan gejala fisika yang pertama kali ditemukan oleh Hertz pada tahun 1887 ketika mendemonstrasikan keberadaan gelombang elektromagnetik. Pada alat experimennya yang terdiri atas sebuah antena pemancar gelombang (transmitter) dan penerima gelombang (receiver), Hertz mengamati bahwa percikan bunga api yang timbul pada receiver akan lebih mudah terjadi jika elektrode tempat terjadinya percikan bunga api itu disinari dengan cahaya yang berasal dari percikan bunga api pada bagian pemancar. Setahun kemudian, Hallwachs mengamati bahwa sebuah plat seng, yang bersifat lebih negatif dibandingkan lingkungannya, akan mengalami pelepasan elektron jika disinari dengan cahaya ultraviolet. Setelah penemuan sinar katode yang diidentiifkasi sebagai aliran muatanmuatan negatif, barulah diketahi bahwa pemancaran elektronlah yang menajdi alasan terjadinya proses ini. Analisis semikuantitatif gejala efek fotolistrik pertama kali dilakukan oleh Philips Lenard pada tahun 1902. Dalam experimennya, Lenard menggunakan sebuah tabung kaca yang divakumkan yang didalamnya terdapat dua buah elektrode. Satu dari elektrode ini



disebut katode cahayayang terbuat dari bahan aluminium. Katode ini disinari dengan cahaya. Elektrode lainnya disebut anode diberi potensial listrik U yang lebih negatif terhadap katodde. Jika elektron yang bermuatan negatif e dapat melewati beda potensial antara kedua elektrode ini, maka akan terdeteksi arus pada rangkaian luar tabung. Dari eksperimen ini, Lenard mengamati bahwa terdapat sebuah lonjakan arus jika nilai mutlak potensial jauh di bawah sebuah nilai ambang. Nilai ambang ini bergantung pada sumber cahaya yang digunakan. Ketika itu, teori fisika tidak dapat menjelaskan hasil pengamatan Lenar dan dalam kebuntuan inilah, datang seorang pegawai kantor Paten di Swiss dengan jabatan ahli teknik kelas tiga, Albert Einstein.[1] Einstein dengan menggunakan gagasan kuanta Planck memberikan penjelasan teoriits terhadap hasil pengamatan gejala fotolistrik. Dalam bagian akhir makalahnya yang berjudul On a heuristic point of view concerning the production and conversion of light yang terbit pada tahun 1905. Einstein menunjukan bahwa secara tak langsung telah terdapat bukti eksperimen akan keberadaan kuanta cahaya. Dengan konsep kuanta cahaya ini, Einstein



menjelaskan data eksperimen efek fotolistrik dengan baik. Dalam upaya penjelasana itu, Einstein merumuskan persamaan yang menghubungkan antara potensial ambang Uo dengan frekuensi cahaya monokromatik v yang digunakan dalam menyinari katode, yaitu –eUo = hv – W. Terhadap persamaan ini, Einstein menulis “jika hasil penurunan persamaan ini benar, maka Uo yang plot grafiknya dibuat dalakm koordinat cartesian sebagai fungsi dari frekuensi cahaya yang terpancar, akan diperoleh sebuah garis linear, kemiringan garis ini tidaklah dipengaruhi oleh jenis bahan katode yang kita gunakan dalam percobaan.” Sebelas tahun kemudian, pada tahum 1916, Milikan mempublikasikan hasil eksperimen yang sangat cocok dengan persamaan Einstein. Milikan seperti halnya fisikawan lain pada saat itu, menerima persamaan yang telah diturunkan Einsrein, tetapi menolak hipotesis kuanta cahaya. Dalam kalimat pembuka makalahnya, Milikan mengatakan, “persamaan fotolistrik Einstein,... dalam pandangan saya tidak dapat dipandang sekarang ini sebagai akhir dari pencaharian sejumlah landasan teoretis yang memuaskan.” Atas penjelasan terhadap fenomena efek fotolistrik ini, pada tahun 1921, Albert Einstein dianugerahi nobel fisika oleh The Royal Academy of Sciences Swedia. Pada percobaan efek fotolistrik, berkas cahaya ditembakkan ke permukaan logam yang diletakkan di dalam suatu tabung vakum sehingga elektron terpencar keluar dari permukaan. Di dalam emisi fotolistrik, cahaya yang menumbuk sebuah benda menyebabkan elektron terlepas. Model gelombang klasik meramalkan bahwa ketika intensitas cahaya dinaikan, amplitudo dan energi cahaya juga bertambah. Hal ini akan menyebabkan semakin banyak fotoelektron energi yang dipancarkan. Akan tetapi menurut teori kuantum, kenaikan frekuensi cahaya akan menghasilkan fotoelektron dengan energi yang membesar, tidak bergantung pada intensitas. Bila intensitas cahaya bertambah, jumlah elektron yang dipancarkan juga bertambah.[1] Apabila tegangan baterai diperkecil sedikit demi sedikit, ternyata arus listrik juga semakin mengecil dan jika tegangan terus diperkecil sampai nilainya negatif, ternyata pada saat tegangan mencapai nilai tertentu (−𝑉0), amperemeter menunjuk angka nol yang berarti tidak ada arus listrik yang mengalir atau tidak ada elektron yang keluar



dari keping katoda. Potensial 𝑉0 ini disebut potensial penghenti yang nilainya tidak tergantung pada intensitas cahaya yang dijatuhkan. Hal ini menunjukkan bahwa energi kinetik maksimum elektron yang keluar dari permukaan adalah sebesar : Ek = 1 2 mv2 = eV0 (1.1) Berdasarkan hasil percobaan ini ternyata tidak semua cahaya (foton) yang dijatuhkan pada keping katoda akan menimbulkan efek fotolistrik. Efek fotolistrik akan timbul jika frekuensinya lebih besar dari frekuensi tertentu. Demikian juga frekuensi minimal yang mampu menimbulkan efek fotolistrik tergantung pada jenis logam yang digunakan. [2] Ternyata teori gelombang gagal menjelaskan tentang sifat-sifat penting yang terjadi pada efek fotolistrik, antara lain : Pertama, menurut teori gelombang, energi kinetik fotoelektron harus bertambah besar jika intensitas foton diperbesar. Akan tetapi kenyataan menunjukkan bahwa energi kinetik fotoelektron tidak bergantung pada intensitas foton yang dijatuhkan. Kedua, menurut teori gelombang, efek fotolistrik dapat terjadi pada sembarang frekuensi, asal intensitasnya memenuhi. Akan tetapi kenyataannya efek fotolistrik baru akan terjadi jika frekuensi melebihi harga tertentu dan untuk logam tertentu dibutuhkan frekuensi minimal tertentu agar dapat timbul fotoelektron. Ketiga, menurut teori gelombang, diperlukan waktu yang cukup untuk melepaskan elektron dari permukaan logam. Akan tetapi kenyataannya elektron terlepas dari permukaan logam dalam waktu singkat < 10−9 s setelah waktu penyinaran. Terakhir, teori gelombang tidak dapat menjelaskan mengapa energi kinetik maksimum fotoelektron bertambah jika frekuensi foton yang dijatuhkan diperbesar. [3] B. METODE EKSPERIMEN



Praktikum ini bertujuan untuk mengamati perilaku cahaya sebagai partikel menurut teori kuantum dan menentukan konstanta Planck. Adapun alat dan bahan yang digunakan dalam praktikum ini adalah perangkat pengukuran konstanta Planck PC101, dan beberapa buah filter. Untuk melakukan praktikum ini pada kegiatan pertama yang harus dilakukan yaitu mengatur posisi sumber cahaya dari sensor (35 cm),mode display ke posisi current, dan posisi pengali arus pada pengali 0,01, kemudian meletakkan filter biru pada jendela



C. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Pengamatan Tabel1. Hasil pengamatan karakteristik cahaya menurut teori kuantum Intensitas Keadaan Terdap Tidak at arus terdapat arus VVs √ Tabel 2. Hasil pengamatan pengaruh panjang gelombang terhadap potensial pengehenti F Filter λ Vs (x1014 Warna (nm) (V) Hz) Merah 635 4,7244 0,47 Jingga 570 5,2632 0,62 Kuning 540 5,5556 0,70 Hijau 500 6 0,92 Biru 460 6,5217 1,12



Analisis Data Kegiatan 1 1. Pengaruh intensitas cahaya terhadap arus foto elektron adalah berbanding lurus dimana jika intensitas cahaya digandakan maka arus foto elektrik yang keluar juga berlipat ganda. 2. Pengaruh intensitas cahaya terhadap energi kinetik elektron-foto adalah tidak ada perubahan, karena energi kinetik dipengaruhi oleh frekuensi cahaya. 3. Berdasarkan pandangan fisika klasik dan model kuantum bahwa elektron yang berada pada kondisi V < Vs dan V = Vs maka elektron tidak akan keluar menembus logam sehingga arus tak akan terbaca. Sedangkan pada kondisi V > Vs maka elektron akan menembus potensial penghalang dan keluar menjadi arus ynag terbaca. Kegiatan 2 Potensial Penghenti (Volt)



tabung, menggeser posisi voltage direction pada arah (-), lalu menekan tombol power ke posisi ON. Setelah itu mengatur intensitas cahaya sampai arus yang terbaca pada layar 3,0 𝜇A, selanjutnya memutar pengatur tegangan hingga arus menjadi nol, lalu memindahkan mode display ke posisi voltage, mencatat potensial yang terbaca pada posisi tersebut (potensial penghenti Vs), setelah mendapatkan potensial penghenti maka diatur kembali pengatur tegangan ke posisi yang lebih kecil dari potensial penghenti (V < Vs) (potensial penghalang V). Memindahkan posisi mode display ke posisi current, dilihat apakah ada arus yang terbaca. Setelah itu mengatur kembali pengatur tegangan V = Vs, lalu kembalikan mode display ke posisi current, dilihat lagi adakah arus yang terbaca. Kemudian mengatur kembali mode display ke posisi voltage dan memutar pengatur tegangan V > Vs, kembalikan lagi mode display ke posisi current kembali, apakah ada arus yang terbaca. Untuk kegiatan kedua mengganti filter biru dengan filter merah, kemudian pasang potensial penghalang (V) pada nilai nol. Lalu mengatur intensitas cahaya sampai terbaca arus pada layar dimana untuk filter merah 0,41𝜇A, jingga 1,66 𝜇A, kuning 2,36 𝜇A, hijau 2,59 𝜇A, dan untuk filter biru 3,00 𝜇A, lalu mengukur potensial penghenti pada posisi tersebut dengan menggunakan cara seperti pada kegiatan pertama, dilakukan pengukuran untuk setiap filter.



1.2 1



y = 4E-15x - 1.2799 R² = 0.9933



0.8 0.6 0.4 0.2 0 0



1E+14 2E+14 3E+14 4E+14 5E+14 6E+14 7E+14 Frekuensi (Hz)



Grafik 1. Hubungan antara potensial penghenti dengan frekuensi 1. Persamaan garis berdasarkan grafik



y  mx  c  4 E  15 x  1,2799 R 2  0,9933



Menghitung fungsi kerja (Wo) dan tetapan Planck (h)



hv  eVs  Wo



eVs  hv  Wo hv  Wo e W h Vs  V  o e e



Vs 



a. Menentukan Konstanta Planck



h e h  me



m



h  4 x10



15



(1,602 x10



h  6,408 x10



 34



19



)c



Js



DK  R x100% DK  0,9933 x100%  99,33% 2



KR  100%  DK KR  100%  99,33  0,67%( 4 AB) KR.h 0,67%.6,408 x10 34  100% 100%  34 h  0,043 x10



h 



tegangan juga akan ikut bertambah. Hal ini dapat dikatakan bahwa intensitas sebanding dengan energi yang dihasilkan. D. KESIMPULAN Berdasarkan hasil analisis data, dapat disimpulkan bahwa: 1. Perilaku cahaya sebagai partikel menurut teori kuantum bahwa efek fotolistrik adalah munculnya arus listrik akibat permukaan suatu bahan logam disinari. Arus listrik yang muncul ini adalah elektron yang bermuatan negatif. Sinar yang datang di permukaan bahan adalah meneyebabkan elektron dan bahan keluar dan lepas dari bahan. 2. Berdasarkan hasil analisis data, diperoleh nilai konstanta Planck yaitu ℎ= |6,408 ± 0,043| × 10−34 𝐽𝑠.



PF  h  h PF  6,408  0,043 x10 34 Js Pembahasan Efek fotolistrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan logam ketika energi foton lebih besar dari fungsi kerja yang dimiliki oleh logam tersebut, dimana besarnya energi foton selain tergantung pada frekuensi juga bergantung pada konstanta Planck. Pada percobaan ini ada beberapa faktor yang menyebabkan tinggi atau rendahnya tegangan yang diperoleh, kemudian cocok atau tidaknya konstanta Planck yang diperoleh. Faktor-faktor tersebut antara lain intensitas cahaya yang diberikan, lalu panjang gelombang yaitu terdapat pada filter warnanya, dan potensial penghentinya, juga telah diketahui bahwa pemasangan filter warna untuk mengetahui pengaruh panjang gelombang terhadap efek fotolistrik yang akan digunakan untuk mencari nilai konstanta Planck. Maka semakin besar panjang gelombangnya energi yang dihasilkan jugaakan semakin kecil, karena enenrgi pada hal ini besarnya sama dengan tegangan yang dicari, oleh karena itu menggunakan filter warna merah juga telah diketahui bahwa memiliki panjang gelombang yang besar akan dihasilkan teangan kecil. Kemudian untuk intensitas cahaya yang diberikan dengan menggunakan lima variasi, dengan menggunakan intensitas yang rendah maka akan didapatkan tegangan yang rendah pula, tetapi apabila menggunakan intensitas yang besar maka



DAFTAR PUSTAKA [1]



Laporan praktikum Eksperimen Fisika 1. Unit III. Ayunita A., M.T. Prasetia N., Mutmainnah S., Nabesan, Zahida A.Z. 2017. Laboratorium Fisika.



[2]



Beiser, Arthur. 1999. Konsep Modern. Jakarta : Erlangga. 2.



[3]



Fisika



Krane, Kenneth. 1992. Fisika Modern. Jakarta : Universitas Indonesia.