Post on 07-Mar-2016
description
EFEK FOTOLISTRIK
Muhajirin, Ibnu Maksun, Fitri Ayu Andari, Nurmayani J. Said, Rahmayuni
Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA
Universitas Negeri Makassar
Abstrak. Telah dilakukan eksperimen tentang Efek Fotolistrik untuk membuktikan bahwa cahaya sebagai partikel menurut teori kuantum dan menentukan besarnya konstanta Planck. Eksperimen ini menggunakan
perangkat pengukuran konstanta plank PC-101 dan 5 buah filter untuk pengambilan data. Pengumpulan data
dilakukan dengan cara mengamati pengaruh intensitas cahaya terhadap perubahan kuat arus yang terbaca pada
perangkat percobaan serta mengamati pengaruh frekuensi (v) terhadap potensial penghenti (VS). Berdasarkan
hasil eksperimen diperoleh bahwa intensitas cahaya tidak memberikan pengaruh yang signifikan terhadap
besarnya arus yang terbaca dan semakin besar frekuensi yang diberikan, maka potensial penghenti juga semakin
meningkat. Hal ini menunjukkan bahwa cahaya berperilaku sebagai partikel sesuai dengan teori kuantum. Hasil
eksperimen diperoleh nilai konstanta Planck sebesar = 6,46 1034 . Nilai ini hampir menunjukkan kesesuaian dengan konstanta Planck yaitu 6,621034 dan diperoleh nilai fungsi kerja logam sebesar 2,399 1033 . Berdasarkan hasil tersebut dapat disimpulkan bahwa cahaya berperilaku sebagai partikel menurut teori kuantum. Hal ini terlihat dari tidak adanya perubahan arus yang signifikan akibat perubahan
intensitas cahaya namun potensial penghenti dipengaruhi oleh perubahan frekuensi.
KATA KUNCI: efek fotolistrik, konstanta Planck,teori kuantum
PENDAHULUAN
Elektron efek fotolistrik disebut
elektron foto (photoelectron). Gejala ini
pertama kali diamati oleh Heinrich Hertz
(1886/1887) melalui percobaan tabung lucutan.
Pada pemahaman fisika klasik (sebelum abad
ke-19), konsep gelombang elektromagnetik dari
cahaya belum mendapat dukungan
eksperimental. Kemudian ahli fisika Jerman
Heinrich Hertz tahun 1888 membuktikan bahwa
gelombang elektromagnetik benar adanya dan
berperilaku tepat seperti ramalan Maxwell.
Dalam eksperimennya, Hertz mendapati bahwa
percikan sinar pada transmisi terjadi bila cahaya
ultra ungu diarahkan pada salah satu logam.
Selanjutnya, ditemukan bahwa penyebab
percikan ini adalah elektron yang terpancar bila
frekuensi cahaya cukup tinggi. Gejala percikan
elektron tersebut kemudian dikenal dengan efek
fotolistrik. 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 faham yang benar,
terpaksa harus dirombak. Faham yang
dimaksud adalah konsep cahaya sebagai
gelombang tidak dirombak, fenomena efek
fotolistrik tidak dapat dijelaskan secara
baik. Faham yang baru yang mampu
menjelaskan secara teoritis fenomena efek
fotolistrik adalah cahaya sebagai partikel
namun demikian, munculnya faham baru ini
menimbulkan polemik baru. Penyebabnya
adalah faham 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. Oleh karena
itu, kami mengeksperimenkan percobaan efek
fotolistrik untuk mengetahui secara pasti
tentang perilaku cahaya sebagai partikel
menurut teori kuantum dan cara menentukan
konstanta Planck.
TEORI
Bila sinar radiasi elektromagnetik
dengan suatu frekuensi tertentu mengenai suatu
permukaan logam/metal, maka elektron akan
dikeluarkan dari permukaan logam itu yang
disebut fotoelektron dan gejala fisikanya
disebut efek fotolistrik[1].
Pada 1905, Einstein mengusulkan
bahwa radiasi elektromagnet terdiri atas paket-
paket energi. Jika frekuensi gelombang
electromagnet adalah v, besar paket energinya
adalah hv. Paket energi demikian juga disebut
foton, terpencar sewaktu osilator harmonis
sumber tingkat tenaganya[2].
Fakta-fakta eksperimen efek fotolistrik
yaitu:
1) Diperlukannya frekuensi ambang untuk menghasilkan efek fotolistrik
2) Ketakbergantungan potensial penghenti terhadap intensitas cahaya
3) Tiadanya waktu tunda antara penyinaran sampai terjadinya efek fotoelektrik
4) Kebergantungan kuat arus fotoelektrik terhadap intensitas cahaya[3].
Teori efek fotolistrik yang benar barulah
dikemukakan Einstein pada tahun 1905.
Teorinya ini didasarkan pada gagasan Planck
tentang kuantum energi, tetapi ia
mengembangkannya satu langkah lebih
kedepan. Einstein menganggap bahwa kuantum
energi bukanlah sifat istimewa dari atom-atom
dinding rongga radiator, tetapi merupakan sifat
radiasi itu sendiri. Energi radiasi electromagnet
bukannya diserap dalam bentuk aliran kontinu
gelombang, melainkan dalam buntelan diskret
kecil atau kuanta, yang disebut foton. Sebuah
foton adalah satu kuantum energi elektromagnet
yang diserap atau dipancarkan, dan sejalan
dengan usulan Planck, tiap-tiap foto dari radiasi
berfrekuensi v memiliki energi
E = h.v (1)
h adalah tetapan Planck dengan menggunakan
teori Planck, Einstein menemukan gejala efek
fotolistrik dengan persamaan:
E = hv = EKmax + W0 (2)
Dengan EKmax = energi kinetik maksimum (eV),
dan W0 = fungsi kerja logam (eV). Persamaan
(2) memungkinkan pengukuran konstanta
Planck (h) dengan analisis sebagai berikut.
Cahaya dengan energi hv menabrak elektron
katoda di dalam tabung hampa. Elektron
memanfaatkan energi minimum W0 untuk
melepaskan diri dari katoda, beberapa elektron
keluar dengan energi maksimum EKmax.
Umumnya, elektron tersebut dapat mencapai
anoda dan dapat diukur sebagai arus
fotoelektron. Akan tetapi dengan menerapkan
potensial balik Vs antara anoda dan katoda, arus
fotolistrik dapat dihentikan. EKmax dapat
ditentukan dengan mengukur potensial balik
minimum yang diperlukan untuk menghentikan
fotoelektron dan mengurangi arus fotolistrik
hingga mencapai nol. Hubungan antara energi
kinetik dan potensial penghenti diberikan oleh:
EKmax = e. Vs (3)
Dengan mensubtitusi persamaan (3) ke dalam
persamaan (2) diperoleh persamaan Einstein.
hv = e.Vs + W0 (4)
Bila dan diplot, akan diperoleh grafik sebagai berikut:
GAMBAR 2. Grafik hubungan potensial
penghenti dengan frekuensi
Perpotongan kurva dengan sama dengan 0 dan kemiringan kurva adalah . Dengan mengetahui nilai , konstanta dapat ditentukan. Sedangkan perpotongan kurva
dengan sumbu memberikan harga frekuensi ambang dan perpotongan kurva dengan sumbu
dalam arah negatif memberikan harga fungsi kerja dari katoda[4].
METODOLOGI PENELITIAN
Pada saat proses praktikum, penulis
menggunakan beberapa alat dan bahan. Alat
dan bahan tersebut, antara lain: a) perangkat
pengukuran konstanta Planck, PC-101; b)
beberapa buah filter dan menggunakan; c) tissu
agar lensa pada filter tidak tersentuh tangan; d)
senter handphone.
Slope =
V (x 1014 Hz)
(volt)
GAMBAR 3. Perangkat Percobaan Efek
Fotolistrik
Terdapat dua kegiatan yang dilakukan
pada percobaan ini. Pada kegiatan pertama,
penulis ingin memastikan bahwa cahaya
sebagai partakel. Mula-mula sumber cahaya
diatur sejauh 35 cm dari sensor dan mengatur
current multiplier pada posisi 0.01. Setelah
itu, mengambil filter biru dan meletakkannya
pada jendela tabung. Mengukur potensial
penghenti dengan mengatur intensitas cahaya
sampai terbaca arus pada layar. Kemudian,
mengatur potensial penghalang yang lebih kecil
dari potensial penghenti (VVS). Kemudian,
menaikkan intensitasnya dan mengamati
perubahan arusnya.
Kegiatan Kedua, untuk mengetahui
pengaruh frekuensi terhadap potensial
penghenti dilakukan dengan menganti filter biru
yang digunakan pada kegiatan pertama dengan
filter merah menggunkan tisu, selanjutnya
mengatur potensial penghalang pada nilai nol
dan mengatur intensitas cahaya sampai terbaca
arus pada layar serta megukur potensial
penghenti pada posisi tersebut. Kemudian
menganti filter warna yang lain (jingga, kuning,
hijau, biru) dan mengulangi prosedur yang
sama untuk filter warna yang berbeda sehingga
diperoleh lima data.
HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISA
DATA
Tabel 1. Hubungan potensial penghalang
dengan potensial penghenti
Perlakuan
Keadaan
Ada arus Tidak ada
arus
V < VS -
V = VS - V > VS - Berdasarkan praktikum yang telah
dilakukan, pengaruh intensitas cahaya terhadap
arus fotoelektrik yaitu berbanding lurus.
Akibatnya, energi dan atau cacah elektron foto
yang dihasilkan juga semakin meningkat
sehingga arus fotoelektrik yang dihasilkan juga
meningkat. Ketika potensial penghalang lebih
kecil dari potensial penghenti (VVS ) akibatnya semakin sedikit
cahaya elektron-foto yang mampu mencapai
kutub negatif sehingga tidak ada arus yang
terbaca pada layar.
Pengaruh intensitas cahaya terhadap
energi kinetik elektron-foto berdasarkan
percobaan kegiatan pertama yaitu intensitas
cahaya tidak bergantung pada energi kinetik
elektron-foto tetapi bergantung pada besarnya
energi foton yang membenturnya. Hal ini
disebabkan karena proses transfer energi kinetik
elektron berlangsung satu lawan satu maka
besarnya energi kinetik elektron hanya
bergantung pada besarnya energi foton yang
membenturnya. Sehingga dapat dikatakan
bahwa energi kinetik bertambah secara linear
terhadap frekuensi sumber cahaya.
Berdasarkan pandangan fisika klasik
yang didasarkan pada faham bahwa cahaya
sebagai gelombang tidak berhasil dibuktikan
bahwa terjadi atau tidaknya efek fotolistrik
bergantung pada intensitas cahaya, bukan pada
frekuensi cahaya. Tiadanya waktu tunda untuk
melepaskan elektron dengan cahaya yang
intensitasnya sangat lemah juga tidak dapat
diterangkan dengan fisika klasik. Karena,dari
hasil pengamatan walaupun intensitas cahaya
sangat lemah maka secara spontan terbaca arus
ketika frekuensi cahaya lebih besar dari
frekuensi ambang logam yang digunakan.
Selain itu, potensial penghenti saharusnya tidak
bergantung pada intensitas cahaya sehingga
tidak sesuai dengan fisika klasik.
Menurut model kuantum yang didasarkan
pada faham bahwa cahaya sebagai partikel dari
hasil percobaan yang diperoleh sesuai dengan
teori Einstein bahwa terjadinya efek fotolistrik
tidak bergantung pada intensitas cahaya tetapi
bergantung pada frekuensi cahaya yang harus
bernilai lebih besar daripada frekuensi ambang
logam yang digunakan.
Pada kegiatan 2 diperoleh data sebagai
berikut
Tabel 2: Hubungan antara panjang gelombang,
frekuensi dengan potensial penghenti.
Filter
warna
Panjang
gelomba-
ng (nm)
Frekue-
nsi
(x1014
Hz)
Potensial
penghenti
(volt)
Merah 635 4,72 -0.33
Jingga 570 5,26 -0.58
Kuning 540 5,56 -0.95
Hijau 500 6,00 -0.93
Biru 460 6,52 -1.05
Dari tabel diatas, dapat dianalisis melalui grafik
berikut:
GAMBAR 4. Hubungan antara potensial
penghenti dengan frekuensi.
Dari analisis grafik dapat dihitung
konstanta planck (h) dan fungsi kerja (W0)
dengan menggunakan persamaan efek
fotolistrik
E = hv = eVS + W0 (5)
dapat dihubungkan dengan yang diperoleh dari
analisis grafik, maka dapat ditentukan
y = mx + c
= 0,403 1,498 dimana,
. = +
=
(1014) +
Menentukan konstanta Planck
=
(1014)
h = m.e
= (0,403) (1,602 1019) 1014 = 0,645606 1033. = 6,46 1034 .
% = |(6,626,46)x 1034
6,62 x 1034| 100%
= 2.41 % Menetukan fungsi kerja Wo
=
(1014)
= . = (1,498) (1,602 10
19) 1014 = 2,399 1033
Untuk kegiatan kedua, dilakukan
pengamatan terhadap pengaruh frekuensi
terhadap potensial penghenti. Berdasarkan
hasil pengamatan diperoleh bahwa semakin
besar frekuensi yang diberikan maka semakin
besar pula potensial penghentinya.Berdasarkan
hasil analisis grafik dari data yang diperoleh
pada kegiatan kedua, didapatkan nilai konstanta
Planck sebesar 6,46 1034 . . Nilai ini mendekati nilai konstanta Planck secara teori,
yaitu 6,621034 dengan penyimpangan yang diperoleh dari %diff sebesar 2,41% dan
nilai fungsi kerja logam
diperoleh 2,399 1033 . Adanya perbedaan yang diperoleh walaupun sangat sedikit
diakibatkan dari kurang telitinya praktikan dan
komponen-komponen perangkat percobaan
berada dalam keadaan yang kurang normal.
SIMPULAN
Berdasarkan hasil eksperimen dapat
disimpulkan bahwa cahaya berperilaku sebagai
partikel menurut teori kuantum. Hal ini terlihat
dari tidak adanya perubahan arus yang
y = 0.4039x - 1.4987R = 0.8455
y = 0.4039x - 1.4987R = 0.8455
y = 0.4039x - 1.4987R = 0.8455
Tega
nga
n P
en
ghe
nti
(vo
lt)
Frekuensi (x 10^14 Hz)
signifikan akibat perubahan intensitas cahaya.
Namun ketika frekuensi dirubah, potensial
penghentinya juga ikut berubah. Konstanta
Planck yang diperoleh berdasarkan hasil
analisis grafik sebesar 6,46 1034 . menunjukkan nilai mendekati konstanta Planck
secara teori sebesar 6,621034 .
REFERENSI
[1]Muljono. 2003. Fisika Modern. Andi:
Yogyakarta.
[2]Kusminarto. 2011. Esensi Fisika Modern.
Andi:Yogyakarta.
[3]Sutopo. 2004. Pengantar Fisika Kuantum.
Jurusan Fisika FMIPA UM.Malang.
[4]Subaer, dkk. 2014. Penuntun Praktikum
Eksperimen Fisika1 Unit Laboratorium Fisika
Modern Jurusan Fisika FMIPA UNM.