Efl [PDF]

Citation preview

Kuliah 4. Efek Foto Listrik Pendahuluan Sumbangan besar Maxwell pada pengetahuan listrik dan magnet adalah keberhasilannya dalam menyatukan semua kaedah yang dikenal waktu itu di bidang listrik magnet. Hal itu dicapainya dengan meneruskan apa yang telah dirumuskan oleh Faraday (1791-1867). Berdasarkan perangkat persamaan fundamental dalam listrik magnet, Maxwell memperoleh solusi berupa gelombang. Atas dasar itu diramalkan tentang adanya gelombang elektromagnetik, sesuatu yang belum diamati oleh para ilmuwan. Heinrich Hertz (1757-1894), menyelidiki implikasi eksperimental dari persamaan-persamaan Maxwell. Sebagai guru besar pada sekolah tinggi teknik di Karisruhe, ia melakukan percobaan-percobaan mengenai gelombang elektromagnetik. Percobaan-percobaan yang dirintisnya serta hasil percobaan para sarjana lain pada akhirnya menunjukkan adanya gelobang elektromagnetik. Tak lama sesudah itu, cahaya juga diidentifikasi sebagai gelombang elektromagnetik. Sifat gelombang cahaya didukung oleh buktibukti eksperimental seperti percobaan Young dan difraksi cahaya. Bukti-bukti ini telah diperoleh lama sebelum tahun 1871. Meskipun sifat gelombang cahaya telah manfatap di sekitar akhir abad ke-19, ada beberapa percobaan dengan cahaya dan listrik yang sukar dapat diterangkan dengan sifat gelombang cahaya itu. Dalam tahun 1888 Hallwachs mengamati bahwa suatu keping itu mula-mula positif, maka tidak terjadi kehilangan muatan. Diamatinya pula bahwa suatu keping yang netral akan memperoleh muatan positif apabila disinari. Kesimpulan yang dapat ditarik dari pengamatan-pengamatan di atas adalah bahwa chaya ultraviolet mendesak keluar muatan litrik negatif dari permukaan keping logam yang netral. Gejala ini dikenal sebagai efek fotolistrik. Mekanisme Terjadinya Efek Fotolistrik Dalam eksperimennya Hertz menemukan bahwa latu pada celak transmiter terjadi bila cahay ultraungu diarahkan pada salah satu bola logamnya. Ia tidak melanjutkan percobaan tersebut, akan tetapi ahli fisika yang lain melanjutkan percobaan tersebut. Mereka menemukan bahwa penyebab terjadinya latu adalah terpancarnya elektron pada frekuensi yang cukup tinggi. Gejala ini dikenal sebagai efek fotolistrik. Gajala ini merupakan salah satu ironi sejarah bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Ilustrasi alat yang dipergunakan untuk membangkitkan gejala fotolistrik. Tabung yang divakumkan berisi dua elektrode yang dihubungkan dengan rangkaian eksternal. Keping logam yang permukaannya mengalami iradiasi, digunakan sebagaio anode. Sebagian dari gotoelektron yang muncul dari permukaan yang mengalami radiasi memiliki energi yang cukup untuk mencapai katode lebih sedikit dan arusnya menurun. Akhirnya ketika v sama dengan atau melebihi suatu harga Vo yang besarnya dalam orde beberapa volt, maka tidak ada elektron yang mencapai katode dan arusnya terhenti. 1



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



Gejala efek fotolistrik dapat diterangkan sebagai berikut : gelombang cahaya membawa energi, dan sebagian energi yang diserap logam dapat terkonsentrasi pada elektron tertentu dan muncul sebagai energi kinetik. Salah satu sifat yang menimbulkan pertanyaan pengamat adalah distribusi elektron yang dipancarkan (fotoelektron), ternyata tak bergantung pada intensitas cahaya. Berkas cahaya yang kuat menghasilkan fotoelektron lebih besar dari pada berkas cahaya yang lemah untuk frekuensi yang sama, akan tetapi energi elektron rata-ratanya sama saja. dalam batas ketelitian eksperimen (10-9 s), tak terdapat kelambatan waktu antara datangnya cahaya pada permukaan logam dan terpancarnya elektron. Secara kuantum energi kuantum cahaya pada efek fotolistrik dipergunakan sebagai energi untuk membebaskan elektron dari permukaan logam dan sisanya dipergunakan sebagai energi kinetik elektron, yang secara matematis dirumuskan. hv = K max + hv 0



(4.1) dengan : hv : energi kuantum cahaya Kmax : energi kinetik maksimum elektron Hv0 : fungsi kerja, energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan sebuah elektron yang disinari. Fungsi kerja untuk masing-masing permukaan logam memiliki nilai khas. Hal ini berarti bahwa fungsi kerja merupakan besaran yang khas. Untuk melepaskan elektron dari permukaan logam biasanya memerlukan separuh energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron bebas dari atom yang bersangkutan. Sebagai contoh energi ionisasi cesium adalah 3,9 eV dengan fungsi kerjanya 1,7 hingga 3,3 eV. Gejala efek fotolistrik terjadi dalam daerah tampak dan ultraungu. Selanjutnya kaitan antara fungsi kerja (energi ambang), tenaga kuantum cahaya , dan tenaga kinetik elektron. Tabel fungi kerja untuk beberapa logam dapat dilihat pada Tabel. Satuan fungsi kerja biasanya dinyatakan dalam elektron volt (eV) yang besarnya setara dengan. 1 eV = 1,60 , 10-19 J (4.1) Tabel Fungsi kerja fotolistrik beberapa logam



2



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



3



LOGAM Cesium Kalium Natrium Lithium



LAMBANG Cs K Na Li



FUNGSI KERJA (eV) 1,9 2,2 2,3 2,5



Kalsium



Ca



3,2



Tembaga



Cu



4,5



Perak



Ag



4,7



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



Platina



4



Pt



5,6



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



Beberapa pengamatan mengenai efek fotolistrik dapat diterangkan sebagai berikut : Tenaga kinetik foto elektron tidak bergantung pada intensitas cahaya. Intensitas cahaya berpengaruh terhadap jumlah foto elektron yang terpancar pada saat terjadi efek fotolistrik. Tenaga kinetik maksimum foto elektron bergantung pada frekuensi sinar yang dipergunakan dalam percobaan efek fotolistrik. Semakin besar frekuensi foton, maka semakin besar pula tenaga kinetik maksimum foto elektron. Dua buah fakta eksperimental yang tidak dapat diterangkan dengan teori gelombang cahaya adalah : Menurut teori gelombang, vektor medan listrik gelombang cahaya akan semakin besar jika intensitasnya ditingkatkan. Pengaruh medan listrik terhadap elektron dapat menimbulkan gaya besar eE, dengan e menyatakan muatan elementer elektron dan E adalah medan listrik, sehingga energi kinetik foto elektron juga bertambah besar. Hal ini bertentangan dengan fakta eksperimental. Terdapat frekuensi ambang, untuk semua frekuensi dibahwa frekuensi ambang, fenomena efek fotolistrik tidak mungkin terjadi meskipun dipergunakan intensitas sinar yang tinggi. Menurut teori gelombang, efek fotolistrik harus terjadi pada semua frekuensi asalkan intensitas cahaya yang dipergunakan mencukupi untuk mendesak elektron dari permukaan katoda. Ternyata kesukaran untuk dapat menerangkan fakta eksperimental dengan teori yang formal baru dapat teratasi apabila dalam peristiwa dan gejala efek fotolistrik, cahaya tidak dianggap sebagai gelombang. Hal ini merupakan aspek utama dari teori kuantum Einstein. Teori Kuantum Einstein tentang Efek Fotolistrik Dalam postulatnya Planck mengkuantisasikan energi yang dapat dimiliki osilator, tetapi tetap memandang radiasi thermal dalam rongga sebagai gejala gelombang. Einstein dapat menerangkan efek fotolistrik dengan meluaskan konsep kuantisasi Planck. Einstein menggambarkan bahwa apabila suatu osilator dengan energi pindah ke suatu keadaan dengan energi, maka osilator tersebut memancarkan suatu gumpalan energi elektromagnetik dengan energi, Einstein menganggap bahwa gumpalan energi yang semacam itu yang kemudian dikenal sebagai foton, yang memiliki sifat-sifat sebagai berikut : Pada saat foton meninggalkan permukaan dinding rongga tidak menyebar dalam ruang seperti gelombang tetapi tetap terkonsentrasi dalam ruang yang terbatas yang sangat kecil. Dalam perambatannya, foton bergerak dengan kecepatan cahaya c. Energi faton terkait dengan frekuensinya yang memenuhi e = hv.



5



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



Dalam proses efek fotolistrik energi foton diserap seluruhnya oleh elektron yang berada di permukaan logam. Lima tahun sesudah Planck mengajukan makalah ilmiahnya tentang teori radiasi thermal oleh benda hitam sempurna, yaitu pada tahun 1905, Albert Einstein mengemukakan teori kuantum untuk menerangkan gejala fotolistrik. Secara eksperimental sahihnya teori kuantum itu dibuktikan oleh Millikan pada tahun 1914. Millikan secara eksperimental membuktikan hubungan linear antara tegangan pemberhentian elektron dan frekwensi cahaya yang mendesak elektron pada bahan katoda tertentu. Pada tahun 1921 Albert Einstein memperoleh hadian Nobel untuk Fisika, karena secara teoritis berhasil menerangkan gejala efek fotolistrik. Emisi Termionik Kesahihan penafsiran Einstein mengenal fotolistrik diperkuat dengan telaah tentang emisi termionik. Telah alam diketahui bahwa dengan adanya panas akan dapat meningkatkan konduktivitas udara yang ada di sekelilingnya. Menjelang abad ke-19 ditemukan emisi elektron dari benda panas. Emisi termionik memungkinkan bekerjanya piranti seperti tabung televisi yang di dalamnya terdapat filamen logam atau katoda berlapisan khusus yang pada temperatur tinggi mampu menyajikan arus elektron yang rapat. Jelaslah bahwa elektron yang terpancar memperoleh energi dari agitasi thermal zarah pada logam, dan dapat diharapkan bahwa elektron harus mendapat energi minimum tertentu supaya dapat lepas. Energi minimum ini dapat ditentukan untuk berbagai permukaan dan selalu berdekatan dengan fungsi kerja fotolistrik untuk permukaan yang sama. Dalam emisi fotolistrik, foton cahaya menyediakan energi yang diperlukan oleh elektron untuk lepas, sedang dalam emisi termionik kalorlah yang menyediakannya. Dalam kedua kasus itu proses fisis yang bersangkutan dengan timbulnya elektron dari permukaan logam adalah sama.



6



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Efek fotolistrik adalah fenomena terlepasnya elektron logam akibat disinari cahaya. Ditinjau dari perspektif sejarah, penemuan efek fotolistrik merupakan salah satu tonggak sejarah kelahiran fisika kuantum. Untuk merumuskan teori yang cocok dengan eksperimen, kita dihadapkan pada situasi dimana paham klasik yang selama puluhan tahun diyakini sebagai paham yang benar, terpaksa harus dirombak. Paham yang dimaksud adalah konsep cahaya sebagai gelombang tidak dirombak, fenomena efek fotolistrik tidak dapat dijelaskan secara baik. Paham yang baru yang mampu menjelaskan secara teoritis fenomena efek fotolistrik adalah bahwa cahaya sebagai partikel namun demikian, munculnya paham baru ini menimbulkan polemik baru. Penyebabnya adalah bahwa paham cahaya sebagai gelombang telah dibuktikan kehandalannya dalam menjelaskan sejumlah besar fenomena yang berkaitan dengan fenomena difraksi, interferensi, dan polarisasi. Sementara itu, fenomena yang disebutkan tadi tidak dapat dijelaskan berdasarkan paham cahaya sebagai partikel. Untuk mengatasi itu, para ahli sepakat bahwa cahaya memiliki sifat ganda : sebagai gelombang dan sebagai partikel. B. Tujuan Percobaan 1. Untuk mengamati perilaku cahaya sebagai gelombang menurut teori klasik. 2. Untuk mengamati perilaku cahaya sebagai partikel menurut teori kuantum. 3. Untuk menentukan konstanta Planck.



BAB II LANDASAN TEORI 7



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



Efek fotolistrik adalah fenomena terlepasnya elektron logam akibat disinari cahaya atau gelombang elektromagnetik pada umumnya. Elektron yang terlepas pada efek fotolistrik disebut elektron foto (Photoelektron). Fenomena ini pertama kali diamati oleh Heinrich Hertz (1886-1887) melalui percobaan tabung lucutan. Hertz melihat bahwa lucutan elektrik akan menjadi lebih muda jika cahaya ultraviolet dijatuhkan pada elektroda tabung lucutan (sebagai bahan elektroda digunakan logam natrium). Ini menunjukkan bahwa cahaya ultraviolet dapat melepaskan elektron dari permukaan logam atau sekurang-kurangnya memudahkan elektron terlepas dari logam. Pengamatan Hertz ini kemudian diselidiki lebih lanjut oleh P. Lenard sekitar 18 tahun. Kemudian pada tahun 1905 secara teoritis, Einstein berhasil menjelaskan fenomena ini. Skema percobaan untuk mempelajari efek fotolistrik disajikan pada gambar 2.1. Peralatan utama terdiri atas plat logam, jendela, galvanometer, dan potensiometer. Plat logam A dan logam K ditempatkan dalam tabung kaca yang dihampakan. Penghampaan ini diperlukan untuk meminimalkan tumbukan antara elektron-foto dengan molekul-molekul gas. Sisi tabung yang berperan sebagai jendela terbuat dari bahan kuarsa, melalui jendela inilah berkas cahaya monokromatis ditembakkan ke plat K sehingga plat melepaskan elektron-foto. Galvanometer (G) digunakan untuk mendeteksi adanya arus listrik yang dihasilkan oleh elektron foto tersebut (sering kali disebut arus fotoelektrik). Potensiometer (hambatan geser) diperlukan untuk mengatur beda potensial antara plat A dan plat B.



Gambar 2.1 Set Percobaan Untuk Mengamati Efek Fotolistrik Cahaya monokromatis ditembakkan ke plat K yang potensialnya dibuat lebih positif terhadap plat A ternyata untuk cahaya dengan frekuensi tertentu, galvanometer (G) mendeteksi adanya arus listrik. Ini menunjukkan bahwa elektron-foto yang dipancarkan oleh plat K mampu mencapai plat A walaupun plat A memiliki potensial yang lebih negatif dari pada plat K. Ini juga berarti bahwa ketiak terlepas dari plat K elektron sudah memiliki tenaga kinetik yang cukup besar untuk menembus potensial penghalang yang dipasang antara plat K dan A. Untuk menghentikan gerakan elektron-foto (ditunjukkan dengan tidak adanya arus fotoelektrik yang melalui G), diperlukan potensial penghalang V tertentu. Beda potensial yang mampu menghentikan gerak elektron-foto tercepat ini disebut potensial penghenti (stopping potential), yang diberi lambang Vo. Cacah elektron-foto yang dilepaskan plat K bergantung pada intensitas 8



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



cahaya. Msing-masing elektron-foto memiliki energi kinetik yang berbedabeda. Jika elektron-foto tercepat sudah dapat dihentikan oleh potensial penghenti, elektron-foto lainnya otomatis juga dihentikan. Elektron kinetik elektron-foto tercepat dapat diketahui dari nilai Vo. Berdasarkan prinsip kekekalan energi dapat disimpulkan bahwa energi kinetik elektron-foto tercepat sama dengan eVo, dengan e menyatakan muatan elektron sama dengan 1,6 x 10-19 C. Jika energi kinetik elektron tercepat dilambangkan Kmax, maka : Kmaks = eVo ................. (2.1) Dalam efek fotolistrik itu ditentukan fakta-fakta eksperimental sebagai berikut: 1. Potensial pemberhenti Vo untuk bahan anoda tertentu tidak bergantung dari intensitas cahaya yang menyinari bahan anoda.



Gambar 2.2 Arus fotolistrik sebanding dengan intensitas cahaya untuk semua rentang potensial. 2. Potensial pemberhenti Vo bergantung dari frekuensi ѵ dari cahaya yang menyinari anoda. Dalam gambar di bawah ini lengkung Io terhadap Vo dibuat untuk keadaan dengan anoda yang sama, dan tiga frekuensi yang berlainan.



Gambar 2.3 Potensial pemberhenti Vo tergantung pada frekuensi cahaya yang datang 3. Untuk satu macam bahan anoda lengkung potensial pemberhenti Vo sebagai fungsi frekuensi v cahaya, merupakan garis yang lurus. Ternyata ada satu frekuensi potong Vo (cut-of frequency) yang menjadi batas efek fotolistrik. Artinya bahwa cahaya dengan frekuensi di bawah harga Vo tidak akan menghasilkan efek fotolistrik berapapun intensitasnya. Setiap bahan anoda mempunyai Vo tersendiri.



9



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



Gambar 2.4 Grafik hasil pengukuran potensial pemberhenti sebagai fungsi frekuensi untuk sodium (frekuensi ambang 4,39 x 1014 Hz) Bagian dari fakta eksperimental di atas tentang efek fotolistrik yang tidak dapat diterangkan dengan konsep gelombang tentang cahaya sebagai berikut : 1. Bahwa Vo (jadi Ek) tidak bergantung dari intensitas cahaya. Menurut konsep gelombang kuat medan E dari cahaya berbanding lurus dengan √I dimana I adalah intensitas cahaya. Jadi bila E besar, tentunya gaya pada elektron dipermukaan anoda juga besar, karena F = eE. 2. Bahwa di bawah frekuensi potong Vo elektron tidak lagi dapat dilepaskan dari permukaan logam. Menurut konsep gelombang, kuat medan E tidak bergantung dari frekuensi, sehingga asal intensitas cukup besar efek fotolistrik yang akan terjadi dan tidak bergantung pada frekuensi cahaya. Dengan demikian harus dicari penjelasan secara teoritis yang berpijak pada konsep gelombang cahaya. Untuk inilah maka kemudian Einstein mengemukakan postulatnya sebagai berikut : 1. Cahaya itu terdiri dari paket-paket energi (foton) yang bergerak dengan kecepatan c. 2. Bahwa apabila frekuensi cahaya adalah v maka energi foton adalah E = hv. 3. Dalam proses fotolistrik satu foton diserap sepenuhnya oleh elektron pada permukaan logam. Dengan menggunakan teori Planck Einstein menemukan gejala efek fotolistrik dengan persamaan : E = hv = EKmaks + Wo ………… (2.2) Dengan EKmaks = energi kinetik maksimum Wo = fungsi kerja logam. Pada umumnya elektron memanfaatkan energi minimum Wo untuk melepaskan diri dari katoda, keluar beberapa energi maksimum EKmaks. Elektron yang mecapai anoda dapat diukur dengan arus fotoelektron. Akan tetapi daya menerapkan potensial balik Vs antara anoda dan katoda, arus fotolistrik dapat dihentikan. EKmaks dapat ditentukan dengan mengukur potensial balik minimum yang diperlukan untuk menghentikan fotoelektron dan mengurangi arus fotolistrik sehingga mencapai nol. Hubungan antar EK dan Potensial penghenti diberikan oleh : 10



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



EKmaks = eVos …………… (2.3) Maka didapat persamaan Einstein : hυ = eVso+ Wo …………… (2.4)



BAB III METODE PRAKTIKUM A. Alat dan Bahan a. Digital Voltmeter (SE – 9589) b. h/e Apparatus (AP – 936 8) c. h/e Apparatus Accessory Kit (AB – 9369) d. Mercury Vapor Light Source (OS – 9286) B. Prosedur Kerja Menyusun alat “h/e Apparatus” seperti yang diperlihatkan pada gambar berikut.



Untuk kegiatan 1 bagian A 1. Mengatur h/e Apparatus sehingga hanya 1 (satu) garis spectral (warna) yang jatuh pada mask fotodioda. 11



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



2. Meletakkan filter yang bersesuaian dengan warna spectrum pada White Reflective Mask. 3. Meletakkan variable Transmission Filter di depan White Reflective Mask sehingga cahaya melewati bagian yang bertanda 100 % dan mencapai foto dioda. 4. Mencatat tegangan DVM pada table yang disediakan. Menggerakkan variable Transmission Filter sehingga bagian berikutnya tepat pada cahaya datang. Mencatat VDM dan memperkirakan waktu pemuatan (recharge) setelah tombol discharge ditekan dan dilepaskan. 5. Mengulangi langkah 3 sampai ke lima bagian filter telah diuji. Mengulangi seluruh langkah dengan warna kedua yang berbeda. Untuk kegiatan 1 bagian B 1. Mengatur h/e Apparatus sehingga hanya satu bagian dari pita warna kuning yang jatuh pada Mask fotodioda. Meletakkan filter kuning pada White Reflective Mask. 2. Mencatat tegangan VDM (potensial penghenti) pada table yang tersedia. 3. Mengulangi percobaan untuk setiap warna di dalam spectrum. Untuk kegiatan 2 Percobaan ini bertujuan untuk menyelidiki hubungan antara energi, panjang gelombang dan cahaya. Dari hubungan tersebut konstanta Planck dapat ditentukan. 1. Memeriksa lima jenis warna dari dua orde pada spectrum Mercury. 2. Mengatur h/e Apparatus dengan hati-hati sehingga hanya satu warna dari orde pertama (orde paling terang) yang jatuh pada bukaan Mask fotodioda. 3. Untuk setiap warna pada setiap orde, mengukur potensial penghenti dengan DVM dan mencatat hasilnya pada table yang diberikan. Menggunakan filter kuning dan hijau pada reflective Mask ketika pengukuran dengan cahaya kuning dan hijau dilakukan. 4. Melanjutkan pengukuran untuk orde kedua, mengulangi seluruh proses di atas. C. Teknik Analisis Data 1. Metode Tabel. Pada table ini, untuk table 1 menggambarkan hubungan antara persen transmisi dengan potensial penghenti. Untuk table ke-2, menggambarkan hubungan antara warna spectrum dengan potensial penghenti. Pada table ini, ada lima spectrum warna yang akan ditentukan potensial penghentinya. Dan pada table ke-3, menggambarkan hubungan antara warna orde dengan panjang gelombang, frekuensi dan potensial penghenti. 2. Metode Grafik Pada grafik yang akan dibuat menggambarkan hubungan antara frekuensi dengan potensial penghenti untuk orde satu dan orde dua. Dari grafik ini, diperoleh konstanta Planck (h) dan nilai fungsi kerja (W). 12



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



h=mxe W = h x fo dengan, e = muatan electron (1,6 x 10-19) m = massa electrón ( 9,1 x 10 -31 kg) fo = frekuensi ambang h = konstanta Planck W = fungsi kerja



BAB IV HASIL PENGAMATAN, ANALISIS DAN PEMBAHASAN A. Hasil Pengamatan Tabel 1.1 Hubungan antara % transmisi dengan Potensial Penghenti Warna 1 % Transmisi Potensial Penghenti (volt) Kuning 100 0,710 80 0,698 60 0,647 40 0.573 20 0,484 Warna 2 % Transmisi Potensial Penghenti (volt) Hijau 100 0,765 80 0,731 60 0,692 40 0,631 20 0.555



Tabel 1.2 Hubungan antara warna dengan potensial penghenti. Warna Potensial Penghenti (volt) 13



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



Kuning 0,930 Hijau 0,941 Biru 1,267 Violet 1,318 Ultraviolet 1,423 Tabel 1.3 Hubungan antara frekuensi dengan potensial penghenti Warna Orde Pertama Panjang Gelombang (nm) frekuensi (x1014 Hz) Potensial Penghenti (volt) Kuning 578 5,18672 0,545 Hijau 546,074 5,48992 0,661 Biru 435,835 6,87858 1,257 Violet 404,656 7,40858 1,330 Ultraviolet 365,483 8,20264 1,557 Warna Orde Kedua Panjang Gelombang (nm) frekuensi (x1014 Hz) Potensial Penghenti (volt) http://hjciah27.blogspot.com/2009/11/efek-foto-listrik.html



jurnal efek foto listrik EKSPERIMEN EFEK FOTOLISTRIK



NEVI HARYANI BP.0910442031



ABSTRAK Eksperimen efekfotolistrik bertujuan untuk menentukan nilai dari konstanta planck serta menentukan harga fungsi kerja (work function) logam katoda. Eksperimen ini dilakukan di laboratorium fisika atom dan inti dengan menggunakan alat h/e apparatus, lampu mercury, filter warna, filter transmisi serta multimeter. Eksperimen efek fotolistrik dibagi menjadi dua, yaitu cahaya sebagai gelombang dan cahaya sebagai foton. Dari eksperimen yang telah dilakukan diperoleh kesimpulan bahwa efek fotolistrik hanya terjadi jika energi foton yang datang lebih besar dari fungsi kerja logam.



14



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



Kata kunci: Efek fotolistrik,h/e apparatus,konstanta planck. I.PENDAHULUAN Mengacu pada teori cahaya sebagai photon (teori kuantum cahaya), KE-max dari photoelectron hanya bergantung pada frekuensi cahaya datang, tidak bergantung terhadap intensitasnya. Frekuensi yang lebih tinggi bergantung terhadap intensitasnya. Frekuensi yang lebih tinggi menghasilkan energi yang lebih tinggi. Berbeda dengan model klasik dari model gelombang cahaya, bahwa KE-max akan bergantung pada intensitas cahaya. Dengan kata lain, semakin terang cahay, semakin besar energinya. Percobaan ini mengamati kedua kondisi yang terjadi. Pada bagian A dipilih dua garis spectrum dari sumber lampu mercury dan di investigasi energi maksimum dari photoelectron sebagai fungsi intensitas. Pada bagian B dipilih garis spectrum yang berbeda dan di investigasi energi maksimum dari photoelectron sebagai fungsi frekuensi dan cahaya. Dengan percobaan yang teliti, konstanta pembanding, konstanta planck juga dapat ditentukan. II.TEORI Suatu berkas cahaya yang didatangkan pada permukaan logam alkali (Li, Na, K, Cs) akan menyebabkan terjadinya efek fotolistrik. Secara skematik rangkaian eksperimen efek fotolistrik terdiri atas dua plat logam (elektroda), yang ditempatkan dalam vakum dan terpisah pada jarak tertentu, dan dihubungkan dengan amperemeter dan potensiometer (yang dilengkapi dengan voltmeter) dalam suatu rangkaian seri. Efek foto listrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan suatu zat (logam), bila permukaan logam tersebut disinari cahaya (foton) yang memiliki energi lebih besar dari energi ambang (fungsi kerja) logam dan menyerap, radiasi elektromagnetik (seperti cahaya tampak dan radiasi ultraungu) tergantung pada jenis permukaan.



Gambar 2.1 Efek fotolistrik Ketika pertama kali peristiwa ini ditemukan oleh Hertz pada tahun 1887, interaksi antara berkas cahaya dan elektron-elektron logam menunjukkan beberapa sifat yang belum pernah dikenal sebelumnya, yaitu: 1. Efek fotolistrik hanya terjadi pada frekuensi cahaya yang lebih besar daripada harga minimum tertentu (frekuensi ambang) yang bergantung pada jenis logam yang disinari. 2. Terjadinya efek fotolistrik hampir bersamaan dengan saat datangnya sinar pada plat logam. 3. Energi kinetik maksimum elektron fotolistrik pada logam tertentu hanya bergantung pada frekuensi berkas cahaya yang datang, tidak bergantung pada intensitas cahaya yang datang. 4. Besar arus fotolistrik sebanding dengan intensitas cahaya yang datang. Sifat-sifat di atas hanya dapat dijelaskan jika cahaya yang datang pada permukaan logam diperlakukan sebagai paket-paket energi yang disebut foton (Einstein, 1905). Dengan mengadopsi teori radiasi benda hitam (Planck, 1901) Einstein menyatakan bahwa besar energi masing-masing foton tersebut hanya ditentukan oleh frekuensi ( f ) foton, yaitu: (1) dengan h suatu konstanta yang besarnya 6,626 ´ 10 - 34 J.s dan selanjutnya dikenal sebagai konstanta Planck.



15



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



Efek fotolistrik hanya dapat terjadi jika energi foton datang lebih besar daripada rata-rata energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam. Energi ini dikenal sebagai fungsi kerja yang besarnya bergantung pada jenis logam dan sering disimbolkan( wo) Besaran inilah yang menentukan frekuensi minimum atau frekuensi ambang (fo) yang dapat menghasilkan efek fotolistrik pada suatu permukaan logam, yaitu (2) Dalam interaksi antara foton datang dan elektron logam yang menghasilkan efek fotolistrik, energi seluruh foton diserap oleh elektron. Jika energi foton lebih besar daripada fungsi kerja logam maka selisih antara energi foton dan fungsi kerja akan terbawa oleh elektron sebagai energi kinetik (Ek ) sehingga elektron-elektron tersebut dapat melintasi ruang vakum antara kedua plat logam dan menghasilkan arus fotolistrik dalam rangkaian. Besar muatan elektron fotolistrik dapat ditentukan dengan memberikan potensial perintang atau stopping potential, dalam rangkaian untuk menghentikan arus fotolistrik. (3) (4) Gejala foto listrik adalah munculnya arus listrik atau lepasnya elektron yang bermuatan negatif dari permukaan sebuah logam akibat permukaan logam tersebut disinari dengan berkas cahaya yang mempunyai panjang gelombang atau frekuensi tertentu. Dari gambar 1, sinar yang dipancarkan pada katoda dapat menyebabkan elektron keluar dan meninggalkan katoda. Karena katoda dihubungkan dengan kutub positif dan anoda dengan kutub negatif, maka potensial anoda lebih rendah daripada potensial katoda sehingga elektron akan tertarik ke anoda. Aliran elektron ini merupakan arus listrik. Jika potensial cukup besar, dapat menyebabkan elektron tak dapat sampai ke anoda. Beda potensial yang tepat akan menahan pancaran elektron yang disebut potensial penyetop (Vo). Pada keadaan ini, berarti energi kinetik maksimum elektron yang dipancarkansama dengan beda potensial listrik elektron antara anoda dan katoda. III. METODE PERCOBAAN 3.2.1 Set up Proses kerja praktikum ini terdiri dari tiga tahap. Tahap awal, kita harus merangkai alat praktikum. Alat (h/e) dilengkapi dengan sumber daya 2 buah baterai didalamnya, sebelum melakukan percobaan diukur beda tegangan sumber dengan Voltmeter, ujung-ujung kontak sumber ini terletak pada bagian atas kotak alat (h/e), jika tegangan sumber ini kurang dari 8 Volt maka baterai harus diganti. Setelah yakin beda tegangan lebih dari 8 volt, lalu dihidupkan lampu mercuri dan ditutup bagian belakang kotak lampu dengan lempeng warna hitam persegi empat dan kemudian ditunggu kira-kira 5 menit. Lalu, dipasang lensa dan kisi (bersatu) pada lampu mercuri dan diatur sedemikian rupa sehingga sinar yang diuraikan kisi dapat dilihat dengan jelas. Diatur alat (h/e) agar sinar yan diuraikan kisi bisa tepat masuk ke dalam kotak (h/e). Ditekan On pada alat (h/e) dan diusahakan salah satu jenis warna sinar masuk ke dalam celah dan dipasang filter sesuai warna yang akan diukur. 3.2.2 Cahaya Sebagai Gelombang Tahap kedua, filter transmisi variabel diposisikan didepan selubung pemantul putih (jika menggunkan filter, diletakkan diatas filter) sehingga cahaya yang dilewatkan sesuai dengan persentase filter. Dicatat potensial yang terbaca pada Voltmeter digital sebagai potensial penghenti.Ditekan tombol tidak bermuatan dilepaskan dan diamati berapa waktu yang dibutuhkan untuk kembali ke tegangan semula.



16



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



Dicatat pada perkiraan waktu muatan. Diulangi langkah 1 dan 2 untuk penyaring transmisi yang lain (100%,80 %, 60 %, 40 % ,20 %). Diulangi langkah 1,2,3 untuk warna yang lain. 3.2.3 Cahaya sebagai Photon dan konstanta Planck Tahap ketiga, pada pengukuran Stopping potensial diukur dengan menggunakan Voltmeter dengan menekan tombol “PUSH TO ZERO” pada alat (h/e), angka yang tertera pada voltmeter dicatat pada kolom stopping potensial ketika tegangan tidak naik lagi Diulangi untuk garis yang lain minimal 5 kali untuk setiap jenis sinar yang sama. Untuk sinar ultraviolet tidak menggunakan filter dan akan terlihat dua garis violet dan garis yang lebih dekat kearah biru adalah garis violet yang akan diukur. IV. PEMBAHASAN Praktikum efek fotolistrik bertujuan untuk menentukan konstanta Planck dan menentukan harga fungsi kerja (work function) logam katoda. Untuk mengetahui nama logam yang kita gunakan dalam praktikum, kita dapat melihat nilai fungsi kerja (work function) dari logam yang kita gunkan. Pada percobaan efek fotolistrik cahaya sebagai gelombang, praktikan menggunakan tiga filter, yaitu filter hijau, filter kuning dan filter transmisi. Dalam melakukan percobaan, praktikan menggabungkan filter masing-masing warna dengan filter transmisi yang kemudian ditentukan stoping potensial(V) serta approximasi charge time(t). Dari hasil perhitungan data praktikum diperoleh nilai fungsi kerja (work function) untuk filter warna hijau sebagai berikut : 1. Transmisi 100 % fungsi kerjanya (wo) adalah 0.3095 x 10-19 J 2. Transmisi 80 % fungsi kerjanya (wo) adalah 1.2707 x 10-19 J 3. Transmisi 60 % fungsi kerjanya (wo) adalah 0.3095 x 10-19 J 4. Transmisi 40 % fungsi kerjanya (wo) adalah 1.4309 x 10-19J 5. Transmisi 20 % fungsi kerjanya (wo) adalah 0.9503 x 10-19 J Dan untuk filter warna kuning diperoleh data sebagai berikut: 1. Transmisi 100 % fungsi kerjanya (wo) adalah 0.9562 x 10-19 J 2. Transmisi 80 % fungsi kerjanya (wo) adalah 1.2766 x 10-19 J 3. Transmisi 60 % fungsi kerjanya (wo) adalah 0.9562 x 10-19 J 4. Transmisi 40 % fungsi kerjanya (wo) adalah 1.2766 x 10-19 J 5. Transmisi 20 % fungsi kerjanya (wo) adalah 0.3154 x 10-19 J Dalam percobaan ini didapatkan data yang kurang relevan dengan teori. Secara teori nilai relatif transmisi berbanding terbalik dengan nilai stoping potensial untuk masing-masing warna, yaitu semakin besar nilai potensial penghenti maka nilai reltif transmision akan semakin kecil. Sedangkan, data yang didapatkan dari hasil praktikum sangat bervariasi. Ada yang menunjukkan semakin kecil nilai transmisi, semakin kecil pula nilai stoping potensial yang didapatkan dan ada pula data yang sesuai dengan teori. Hal ini menunjukkan data yang didapatkan dari praktikum tidak akurat dan konsisten. Dalam perhitungan nilai konstanta planck, antara filter kuning dan hijau juga terdapat perbedaan. Nilai konstanta planck yang didapat dari filter warna hijau adalah sebesar 0.02 x 10-34 Js dan untuk filter kuning nilai konstanta plancknya adalah 0.01 x 10-34 Js. Kedua nilai ini berbeda dengan nilai konstanta planck secara teori yaitu 6.63 x 10-34 Js. Perbedaan nilai ini mungkin disebabkan karena kekurang telitian praktikan dalam pengambilan serta pengolahan data. Dalam melakukan praktikum efek fotolistrik, praktikan cukup kesulitan dalam melakukan percobaan, yaitu dalam mengatur ketepatan penekanan tobol ‘push to zero’ dan stopwatch dan juga dalam pemfokusan cahaya tepat pada filter serta celah pada h/e apparatus. Sebab, ketika praktikan ingin menekan tombol on serta tombol pada ‘push to zero’ pada alat h/e apparatus, alat tersebut sedikit bergeser, sehingga cahaya menjadi kurang tepat melalui filter serta celah pada alat h/e apparatus. 17



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



V. PENUTUP Dari praktikum efek fotolistrik ini dapat disimpulkan bahwa energi kinetik tidak tergantung pada intensitas cahaya, melainkan energi kinetis elektron hanya bergantung pada frekuensi cahaya dan fungsi kerja bukan pada intensitas cahaya. Energi kinetik maksimum bertambah dengan bertambahnya frekuensi. Peristiwa efek fotolistrik tidak akan terjadi bila frekuensi cahaya yang digunakan lebih rendah dari frekuensi ambangnya. Sehingga energi foton harus lebih besar dari energi ambang logam(Wo) . Jika energi foton yang datang lebih kecil dari Wo logam maka elektron-elektron tidak akan pernah keluar dari permukaan logam meski berapa pun besar intensitasnya. Energi yang dibutuhkan elektron untuk bergerak dari dalam logam ke permukaan atau energi yang membebaskan elektron dari ikatannya disebut dengan fungsi kerja (energi ambang). DAFTAR PUSTAKA Akhadi, Muklis. 2000. Dasar-dasar Proteksi Radiasi. Jakarta : Rineka Cipta Beiser, Arthur. 1998. Konsep-konsep Fisika Modern. Jakarta: Erlangga. Paul, A Tipler. 1994. Fisika Untuk Sains dan Teknik. Jakarta: Erlangga. http://www.elhobela.co.cc//efekfotolistrik/.26 September 2011/16.45 WIB. http:// aktifisika.wordpress.com/ Sifat Partikel dari Cahaya,efek fotolistrik/ 26 September 2011.16.50



http://shinconevi.blogspot.com/2011/11/jurnal-efek-foto-listrik.html(3 -4-2012 pkl 3.09)



SIFAT PARTIKEL CAHAYA : EFEK FOTOLISTRIK Posted by akbartriana15 November 2010 Pernahkah kamu melihat pelangi? Pernahkah kamu melihat warna-warni di jalan aspal yang basah? Pelangi terjadi akibat dispersi cahaya matahari pada titik-titik air hujan. Adapun warna-warni yang terlihat di jalan beraspal terjadi akibat gejala interferensi cahaya. Gejala dispersi dan interferensi cahaya menunjukkan bahwa cahaya merupakan gejala gelombang. Gejala difraksi dan polarisasi cahaya juga menunjukkan sifat gelombang dari cahaya.



pola warna-warni di atas aspal basah yang dikenai bensin terjadi akibat interferensi cahaya



18



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



Gejala fisika yang lain seperti spektrum diskrit atomik, efek fotolistrik, dan efek Compton menunjukkan bahwa cahaya juga dapat berperilaku sebagai partikel. Sebagai partikel cahaya disebut dengan foton yang dapat mengalami tumbukan selayaknya bola. Efek Fotolistrik Ketika seberkas cahaya dikenakan pada logam, ada elektron yang keluar dari permukaan logam. Gejala ini disebut efek fotolistrik. Efek fotolistrik diamati melalui prosedur sebagai berikut. Dua buah pelat logam (lempengan logam tipis) yang terpisah ditempatkan di dalam tabung hampa udara. Di luar tabung kedua pelat ini dihubungkan satu sama lain dengan kawat. Mula-mula tidak ada arus yang mengalir karena kedua plat terpisah. Ketika cahaya yang sesuai dikenakan kepada salah satu pelat, arus listrik terdeteksi pada kawat. Ini terjadi akibat adanya elektron-elektron yang lepas dari satu pelat dan menuju ke pelat lain secara bersama-sama membentuk arus listrik.



Hasil pengamatan terhadap gejala efek fotolistrik memunculkan sejumlah fakta yang merupakan karakteristik dari efek fotolistrik. Karakteristik itu adalah sebagai berikut. hanya cahaya yang sesuai (yang memiliki frekuensi yang lebih besar dari frekuensi tertentu saja) yang memungkinkan lepasnya elektron dari pelat logam atau menyebabkan terjadi efek fotolistrik (yang ditandai dengan terdeteksinya arus listrik pada kawat). Frekuensi tertentu dari cahaya dimana elektron terlepas dari permukaan logam disebut frekuensi ambang logam. Frekuensi ini berbeda-beda untuk setiap logam dan merupakan karakteristik dari logam itu. ketika cahaya yang digunakan dapat menghasilkan efek fotolistrik, penambahan intensitas cahaya dibarengi pula dengan pertambahan jumlah elektron yang terlepas dari pelat logam (yang ditandai dengan arus listrik yang bertambah besar). Tetapi, Efek fotolistrik tidak terjadi untuk cahaya dengan frekuensi yang lebih kecil dari frekuensi ambang meskipun intensitas cahaya diperbesar.



19



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



ketika terjadi efek fotolistrik, arus listrik terdeteksi pada rangkaian kawat segera setelah cahaya yang sesuai disinari pada pelat logam. Ini berarti hampir tidak ada selang waktu elektron terbebas dari permukaan logam setelah logam disinari cahaya. Karakteristik dari efek fotolistrik di atas tidak dapat dijelaskan menggunakan teori gelombang cahaya. Diperlukan cara pandang baru dalam mendeskripsikan cahaya dimana cahaya tidak dipandang sebagai gelombang yang dapat memiliki energi yang kontinu melainkan cahaya sebagai partikel. Perangkat teori yang menggambarkan cahaya bukan sebagai gelombang tersedia melalui konsep energi diskrit atau terkuantisasi yang dikembangkan oleh Planck dan terbukti sesuai untuk menjelaskan spektrum radiasi kalor benda hitam. Konsep energi yang terkuantisasi ini digunakan oleh Einstein untuk menjelaskan terjadinya efek fotolistrik. Di sini, cahaya dipandang sebagai kuantum energi yang hanya memiliki energi yang diskrit bukan kontinu yang dinyatakan sebagai E = hf. Konsep penting yang dikemukakan Einstein sebagai latar belakang terjadinya efek fotolistrik adalah bahwa satu elektron menyerap satu kuantum energi. Satu kuantum energi yang diserap elektron digunakan untuk lepas dari logam dan untuk bergerak ke pelat logam yang lain. Hal ini dapat dituliskan sebagai Energi cahaya = Energi ambang + Energi kinetik maksimum elektron E = W0 + Ekm hf = hf0 + Ekm Ekm = hf – hf0 Persamaan ini disebut persamaan efek fotolistrik Einstein. Perlu diperhatikan bahwa W0 adalah energi ambang logam atau fungsi kerja logam, f0 adalah frekuensi ambang logam, f adalah frekuensi cahaya yang digunakan, dan Ekmadalah energi kinetik maksimum elektron yang lepas dari logam dan bergerak ke pelat logam yang lain. Dalam bentuk lain persamaan efek fotolistrik dapat ditulis sebagai



Dimana m adalah massa elektron dan ve adalah dan kecepatan elektron. Satuan energi dalam SI adalah joule (J) dan frekuensi adalah hertz (Hz). Tetapi, fungsi kerja logam biasanya dinyatakan dalam satuan elektron volt (eV) sehingga perlu diingat bahwa 1 eV = 1,6 × 10−19 J. Potensial Penghenti (Stopping Potential) Gerakan elektron yang ditandai sebagai arus listrik pada gejala efek fotolistrik dapat dihentikan oleh suatu tegangan listrik yang dipasang pada rangkaian. Jika pada rangkaian efek fotolistrik dipasang sumber tegangan dengan polaritas terbalik (kutub positif sumber dihubungkan dengan pelat tempat keluarnya elektron dan kutub negatif sumber dihubungkan ke pelat yang lain), terdapat satu nilai tegangan yang dapat menyebabkan arus listrik pada rangkaian menjadi nol. Arus nol atau tidak ada arus berarti tidak ada lagi elektron yang lepas dari permukaan logam akibat efek fotolistrik. Nilai tegangan yang menyebabkan elektron berhenti terlepas dari permukaan logam pada efek fotolistrik disebut tegangan atau potensial penghenti (stopping potential). Jika V0 adalah potensial penghenti, maka Ekm = eV0



Persamaan ini pada dasarnya adalah persamaan energi. Perlu diperhatikan bahwa e adalah muatan elektron yang besarnya 1,6 × 10−19 C dan tegangan dinyatakan dalam satuan volt (V). Aplikasi Efek fotolistrik



20



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)



Efek fotolistrik merupakan prinsip dasar dari berbagai piranti fotonik (photonic device) seperti lampu LED (light emitting device) dan piranti detektor cahaya (photo detector)



21



M. Yusuf, S.Si & Enos Taruh, M.Pd. Dr. (FISIKA MODERN)