Makalah Kimfis Lanjut Final

Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012

BAB I

PENDAHULUAN

1. Latar Belakang

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 :

1. Pada saat foton meninggalkan permukaan dinding rongga tidak menyebar dalam

ruang seperti gelombang tetapi tetap terkonsentrasi dalam ruang yang terbatas yang

sangat kecil.

2. Dalam perambatannya, foton bergerak dengan kecepatan cahaya c.

3. Energi faton terkait dengan frekuensinya yang memenuhi e = hv.

4. 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. 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

1


terdapat filamen logam atau katoda berlapisan khusus yang pada temperatur tinggi mampu

menyajikan arus elektron yang rapat.

BAB II

ISI

A. EFEK FOTO LISTRIK

Untuk membangkitkan tenaga listrik dari cahaya matahari kita mengenal istilah sel

surya. Namun tahukah kita bahwa sel surya itu sebenarnya memanfaatkan konsep efek

fotolistrik. Efek ini akan muncul ketika cahaya tampak atau radiasi UV jatuh ke permukaan

benda tertentu. Cahaya tersebut mendorong elektron keluar dari benda tersebut yang

jumlahnya dapat diukur dengan meteran listrik. Konsep yang sederhana ini tidak ditemukan

kemudian dimanfaatkan begitu saja, namun terdapat serangkain proses yang diwarnai dengan

perdebatan para ilmuan hingga ditemukanlah definisi cahaya yang mewakili pemikiran para

ilmuan tersebut, yakni cahaya dapat berprilaku sebagai gelombang dapat pula sebagai

pertikel. Sifat mendua dari cahaya ini disebut dualisme gelombang cahaya.

Meskipun sifat gelombang cahaya telah berhasil diaplikasikan sekitar akhir abad ke-

19, ada beberapa percobaan dengan cahaya dan listrik yang sukar dapat diterangkan dengan

sifat gelombang cahaya itu. Pada 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.

Uraian diatas merupakan pengantar untuk memasuki sebuah penjelasan yang lebih

detail dan mendalam tentang efek fotolistrik. Ada beberapa hal yang akan dibahas oleh

penulis disini seperti sejarah penemuan Efek Foto Listrik,sekilas tentang Efek Foto Listrik,

pengertian dan pengkajian mendalam tentang Efek Foto Listrik, soal-soal dan pembahasan

dan aplikasi Efek Foto Listrik dalam kehidupan sehari-hari.

Terdapat begitu banyak manfaat dari Efek Foto Listrik ini, tentunya akan kita ketahui

melalui pengkajian yang mendalam melalui materi ini dan harapan kita tentunya agar kita

2


dapat mengaplikasikannya atau minimal dapat menjelaskannya kepada orang disekitar kita

tentang sebuah fenomena fisika yang begitu memukau ini.

Sejarah Penemuan Teori Efek Foto Listrik

Seratus tahun lalu, Albert Einstein muda membuat karya besarnya. Tak tanggung-

tanggung, ia melahirkan tiga buah makalah ilmiah yang menjadikan dirinya ilmuwan paling

berpengaruh di abad ke-20. Tahun itu dianggap annus mirabilis atau Tahun Keajaiban

Einstein. Salah satu makalah itu adalah tentang efek fotolistrik. Oleh panitia Hadiah Nobel

Fisika, makalah itu dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada 1921.

Einstein termashur dengan teori relativitasnya. Hampir semua orang kenal formula

E=mc2, namun sedikit saja yang mengetahui apa itu efek fotolistrik yang mengantarkan

Einstein sebagai ilmuwan penerima hadiah Nobel. Pada tahun 1921 panitia hadiah Nobel

menuliskan bahwa Einstein dianugrahi penghargaan tertinggi di bidang sains tersebut atas

jasanya di bidang fisika teori terutama untuk penemuan hukum efek fotolistrik. Lantas

mengapa ia tidak menerima Nobel dari teori relativitas yang berdampak filosofis tinggi

tersebut?

Apa hubungan Max Planck dan Albert Einstein? Pada 1990, Max Karl Ernst Ludwig

Planck (1858-1947), ilmuwan dari Universitas Berlin, Jerman, mengemukakan hipotesisnya

bahwa cahaya dipancarkan oleh materi dalam bentuk paket-paket energi yang ia sebut quanta.

Ia memformulakannya sebagai hv. Penemuan Planck itu membuatnya mendapatkan Hadiah

Nobel Bidang Fisika pada 1918.

Gagasan ini diperluas oleh Einstein lima tahun setelah itu. Dalam makalah ilmiah

tentang efek fotolistrik, menurut Einstein, cahaya terdiri dari partikel-partikel yang kemudian

disebut sebagai foton. Ketika cahaya ditembakkan ke suatu permukaan logam, foton-fotonnya

akan menumbuk elektron-elektron pada permukaan logam tersebut sehingga elektron itu

dapat lepas. Peristiwa lepasnya elektron dari permukaan logam itu dalam fisika disebut

sebagai efek fotolistrik.

Efek fotolistrik merupakan proses perubahan sifatsifat konduksi listrik di dalam

material karena pengaruh cahaya atau gelombang elektromagnetik lain. Efek ini

mengakibatkan terciptanya pasangan elektron dan hole di dalam semikonduktor, atau

3


pancaran elektron bebas dan ion yang tertinggal di dalam metal. Fenomena pertama dikenal

sebagai efek fotolistrik internal, sedangkan fenomena kedua disebut efek fotolistrik eksternal.

Einstein menyelesaikan paper yang menjelaskan efek ini pada tanggal 17 Maret 1905

dan mengirimkannya ke jurnal Annalen der Physik, persis 3 hari setelah ulang tahunnya yang

ke 26. Di dalam paper tersebut Einstein untuk pertama kalinya memperkenalkan istilah

kuantum (paket) cahaya. Pada pendahuluan paper ia berargumentasi bahwa prosesproses

seperti radiasi benda hitam, fotoluminesens, dan produksi sinar katode, hanya dapat

dijelaskan jika energi cahaya tersebut tidak terdistribusi secara kontinyu.

Pada kenyataanya, inilah ikhwal lahirnya fisika modern yang menampik asumsi teor--

teori mapan saat itu. Salah satunya adalah teori Maxwell yang berhasil memadukan fenomena

kelistrikan dan kemagnetan dalam satu formula serta menyimpulkan bahwa cahaya

merupakan salah satu wujud gelombang elektromagnetik. Jelas dibutuhkan waktu cukup lama

untuk meyakinkan komunitas fisika jika cahaya memiliki sifat granular.

Dalam kenyataanya dibutuhkan hampir 11 tahun hingga seorang Robert Millikan

berhasil membuktikan hipotesis Einstein. Tidak tanggung-tanggung juga, Millikan meng-

habiskan waktu 10 tahun untuk pembuktian tersebut.

Pada saat itu Einstein mempublikasikan paper lain berjudul Teori Kuantum Cahaya.

Di dalam paper ini ia menjelaskan proses emisi dan absorpsi paket cahaya dalam molekul,

serta menghitung peluang emisi spontan dan emisi yang diinduksi yang selanjutnya dikenal

sebagai koefisien EinsteinA danB. Kedua koefisien ini bermanfaat dalam menjelaskan secara

teoretis penemuan laser di kemudian hari. Tujuh tahun kemudian Arthur Compton berhasil

membuat eksperimen yang membuktikan sifat kuantum cahaya tersebut dengan bantuan teori

relativitas khusus.

Ide Einstein memicu Louis de Broglie menelurkan konsep gelombang materi. Konsep

ini menyatakan benda yang bergerak dapat dianggap sebagai suatu gelombang dengan

panjang gelombang berbanding terbalik terhadap momentumnya. Sederhananya, ide de

Broglie ini merupakan kebalikan dari ide Einstein. Kedua ide ini selanjutnya membantu

melahirkan mekanika kuantum melalui persamaan Schroedinger yang menandai berakhirnya

masa fisika klasik.

4


Sekilas Tentang Efek Foto Listrik

Untuk menguji teori kuantum yang dikemukakan oleh Max Planck, kemudian Albert

Einstein mengadakan suatu penelitian yang bertujuan untuk menyelidiki bahwa cahaya

merupakan pancaran paket-paket energi yang kemudian disebut foton yang memiliki energi

sebesar hf. Percobaan yang dilakukan Einstein lebih dikenal dengan sebutan efek fotolistrik.

Peristiwa efek fotolistrik yaitu terlepasnya elektron dari permukaan logam karena logam

tersebut disinari cahaya.

Alat yang digunakan berupa tabung hampa udara yang dilengkapi dengan dua

elektroda A dan B dan dihubungkan dengan sumber tegangan arus searah (DC). Pada saat

alat tersebut dibawa ke dalam ruang gelap, maka amperemeter tidak menunjukkan adanya

arus listrik. Akan tetapi pada saat permukaan Katoda (A) dijatuhkan sinar amperemeter

menunjukkan adanya arus listrik. Hal ini menunjukkan adanya aliran arus listrik. Aliran arus

ini terjadi karena adanya elektron yang terlepas dari permukaan (yang selanjutnya disebut

elektron foto) A bergerak menuju B. 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 (-Vo), amperemeter menunjuk

angka nol yang berarti tidak ada arus listrik yang mengalir atau tidak ada elektron yang

keluar dari keping A. Potensial Vo ini disebut potensial henti, yang nilainya tidak=

tergantung pada intensitas cahaya yang dijatuhkan. Hal ini menunjukkan bahwa energi

kinetik maksimum elektron yang keluar dari permukaan adalah sebesar:

Ek = mv2 = e Vo ….

dengan :

Ek = energi kinetik elektron foto (J atau eV)

m = massa elektron (kg)

v = kecepatan elektron (m/s)

e = muatan elektron (C)

Vo = potensial henti (volt)

5


Berdasarkan hasil percobaan ini ternyata tidak semua cahaya (foton) yang dijatuhkan

pada keping 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 dipakai. Selanjutnya,

marilah kita pelajari bagaimana pandangan teori gelombang dan teori kuantum (foton) untuk

menjelaskan peristiwa efek fotolistrik ini. Dalam teori gelombang ada dua besaran yang

sangat penting, yaitu frekuensi (panjang gelombang) dan intensitas.

Ternyata teori gelombang gagal menjelaskan tentang sifat-sifat penting yang terjadi

pada efek fotolistrik, antara lain :

a. Menurut teori gelombang, energi kinetik elektron foto harus bertambah besar jika

intensitas foton diperbesar. Akan tetapi kenyataan menunjukkan bahwa energi kinetik

elektron foto tidak tergantung pada intensitas foton yang dijatuhkan.

b. 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 yang tertentu agar dapat timbul elektron foto.

c. Menurut teori gelombang diperlukan waktu yang cukup untuk melepaskan elektron

dari permukaan logam. Akan tetapi kenyataannya elektron terlepas dari permukaan

logam dalam waktu singkat (spontan) dalam waktu kurang 10-9 sekon setelah waktu

penyinaran.

d. Teori gelombang tidak dapat menjelaskan mengapa energi kinetik maksimum

elektron foto bertambah jika frekuensi foton yang dijatuhkan diperbesar. Teori

kuantum mampu menjelaskan peristiwa ini karena menurut teori kuantum bahwa

foton memiliki energi yang sama, yaitu sebesar hf, sehingga menaikkan intensitas

foton berarti hanya menambah banyaknya foton, tidak menambah energi foton selama

frekuensi foton tetap.

Menurut Einstein energi yang dibawa foton adalah dalam bentuk paket, sehingga energi

ini jika diberikan pada elektron akan diberikan seluruhnya, sehingga 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 (Wo) atau energi ambang.

Besarnya Wo tergantung pada jenis logam yang digunakan. Apabila energi foton yang

6


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 (hf < Wo) tidak akan menyebabkan elektron foto. Frekuensi foton terkecil yang

mampu menimbulkan elektron foto disebut frekuensi ambang. Sebaliknya panjang

gelombang terbesar yang mampu menimbulkan elektron foto disebut panjang gelombang

ambang. Sehingga hubungan antara energi foton, fungsi kerja dan energi kinetik elektron foto

dapat dinyatakan dalam persamaan :

E = Wo + Ek atau Ek = E – Wo

Ek = hf – hfo = h (f – fo) …. (7.5)

dengan :

Ek = energi kinetik maksimum elektron foto

h = konstanta Planck

f = frekuensi foton

fo = frekuensi ambang

Pengkajian Mendalam Tentang Efek Foto Listrik

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.

1. 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

7


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.

2. 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.

3. 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

8


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 Ekm adalah 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.

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).

9


B. SPEKTRUM ATOM

Dasar-dasar teori kuantum klasik

a. Spektrum atom

Bila logam atau senyawanya dipanaskan di pembakar, warna khas logam akan

muncul. Ini yang dikenal dengan reaksi nyala. Bila warna ini dipisahkan dengan prisma,

beberapa garis spektra akan muncul, dan panjang gelombang setiap garis khas untuk logam

yang digunakan. Misalnya, garis kuning natrium berkaitan dengan dua garis kuning dalam

spektrumnya dalam daerah sinar tampak, dan panjang gelombang kedua garis ini adalah

5,890 x 10–7 m dan 5,896 x 10–7 m.

Bila gas ada dalam tabung vakum, dan diberi beda potensial tinggi, gas akan terlucuti

dan memancarkan cahaya. Pemisahan cahaya yang dihasilkan dengan prisma akan

menghasilkan garisspektra garis diskontinyu. Karena panjang gelombang cahaya khas bagi

atom, spektrum ini disebut dengan spektrum atom.

Fisikawan Swiss Johann Jakob Balmer (1825-1898) memisahkan cahaya yang

diemisikan oleh hidrogen bertekanan rendah. Ia mengenali bahwa panjang gelombang λ

deretan garis spektra ini dapat dengan akurat diungkapkan dalam persamaan sederhana

(1885). Fisikawan Swedia Johannes Robert Rydberg (1854-1919) menemukan bahwa

bilangan gelombang7 σ garis spektra dapat diungkapkan dengan persamaan berikut (1889).

σ = 1/ λ = R{ (1/ni2 ) -(1/nj2 ) }cm–1 ........................ (2.1)

ni dan nj bilangan positif bulat(ni < nj) dan R adalah tetapan khas untuk gas yang digunakan.

Untuk hidrogen R bernilai 1,09678 x 107 m–1.

Umumnya bilangan gelombang garis spektra atom hodrogen dapat diungkapkan

sebagai perbedaan dua suku R/n2. Spektra atom gas lain jauh lebih rumit, tetapi sekali lagi

bilangan gelombangnya juga dapat diungkapkan sebagai perbedaan dua suku.

b. Teori Bohr

Di akhir abad 19, fisikawan mengalami kesukaran dalam memahami hubungan antara

panjang gelombang radiasi dari benda yang dipanaskan dan intesitasnya. Terdapat perbedaan

10


yang besar antara prediksi berdasarkan teori elektromagnetisme dan hasil percobaan.

Fisikawan Jerman Max Karl Ludwig Planck (1858-1947) berusaha menyelesaikan

masalahyang telah mengecewakan fisikawan tahun-tahun itu dengan mengenalkan hipotesis

baru yang kemudian disebut dengan hipotesis kuantum (1900).

Berdasarkan hipotesisnya, sistem fisik tidak dapat memiliki energi sembarang tetapi

hanya diizinkan pada nilai-nilai tertentu. Dengan radiasi termal, yakni radiasi energi

gelombang elektromagnetik dari zat, gelombang elektromagnetik dengan frekuensi ν dari

permukaan padatan akan dihasilkan dari suatu osilator yang berosilasi di permukaan padatan

pada frekuensi tersebut. Berdasarkan hipotesis Planck, energi osilator ini hanya dapat

memiliki nilai diskontinyu sebagaimana diungkapkan dalam persamaan berikut.

ε=nhν (n = 1, 2, 3,....) ................. (2.2)

n adalah bilangan bulat positif dan h adalah tetapan, 6,626 x 10–34 J s, yang disebut dengan

tetapan Planck.

Ide baru bahwa energi adalah kuantitas yang diskontinyu tidak dengan mudah

diterima komunitas ilmiah waktu itu. Planck sendiri menganggap ide yang ia usulkan

hanyalah hipotesis yang hanya diperlukan untuk menyelesaikan masalah radiasi dari padatan.

Ia tidak bertjuan meluaskan hipotesisnya menjadi prinsip umum.

Fenomena emisi elektron dari permukaan logam yang diradiasi cahaya (foto-iradiasi)

disebut dengan efek fotolistrik. Untuk logam tertentu, emisi hanya akan terjadi bila frekuensi

sinar yang dijatuhkan di atas nilai tertentu yang khas untuk logam tersebut. Alasan di balik

gejala ini waktu itu belum diketahui. Einstein dapat menjelaskan fenomena ini dengan

menerapkan hipotesis kuantum pada efek fotoelektrik (1905). Sekitar waktu itu, ilmuwan

mulai percaya bahwa hipotesis kuantum merupakan prinsip umum yang mengatur dunia

mikroskopik.

Fisikawan Denmark Niels Hendrik David Bohr (1885-1962) berusaha

mengkombinasikan hipotesis kunatum Planck dengan fisika klasik untuk menjelaskan spektra

atom yang diskontinyu. Bohr membuat beberapa asumsi seperti diberikan di bawah ini dan di

Gambar 2.3.

11


Teori Bohr

i. Elektron dalam atom diizinkan pada keadaan stasioner tertentu. Setiap keadaan

stasioner berkaitan dengan energi tertentu.

ii. Tidak ada energi yang dipancarkan bila elektron berada dalam keadaan stasioner

ini. Bila elektron berpindah dari keadaan stasioner berenergi tinggi ke keadaan

stasioner berenergi lebih rendah, akan terjadi pemancaran energi. Jumlah

energinya, h ν, sama dengan perbedaan energi antara kedua keadaan stasioner

tersebut.

iii. Dalam keadaan stasioner manapun, elektron bergerak dalam orbit sirkular sekitar

inti.

iv. Elektron diizinkan bergerak dengan suatu momentum sudut yang merupakan

kelipatan bilangan bulat h/2π, yakni mvr = n(h/2π), n = 1, 2, 3,. (2.3)

Energi elektron yang dimiliki atom hidrogen dapat dihitung dengan menggunakan

hipotesis ini. Di mekanika klasik, gaya elektrostatik yang bekerja pada elektron dan gaya

sentrifugal yang dihasilkan akan saling menyetimbangkan. Jadi,

e2/4πε0r2 = mv2/r ............................... (2.4)

Dalam persamaan 2.3 dan 2.4, e, m dan v adalah muatan, massa dan kecepatan elektron, r

adalah jarak antara elektron dan inti, dan ε0 adalah tetapan dielectrik vakum, 8,8542 x 10–2

C2 N–1 m2.

Latihan 2.4 Jari-jari orbit elektron dalam hidrogen

Turunkan persamaan untuk menentukan jari-jari orbit r elektron dalam atom hidrogen

dari persamaan 2.3 dan 2.4. Jelaskan makna persamaan yang anda turunkan.

Jawab: mvr = nh/2π dapat diubah menjadi v = nh/2πmr. Dengan mensubstitusikan ini ke

persamaan 2.4, anda akan mendapatkan persamaan:

e2/4πε0r2 = mn2h2/4π2m2r3

Jadi r = n2ε0h2/(2π)2me2, n = 1, 2, 3,.............. (2.5)

12


Persamaan 2.5 menunjukkan batasan bahwa jari-jari elektron diizinkan pada nilai tertentu

saja (diskontinyu). Di sini n disebut bilangan kuantum.

Jari-jari r dapat diungkapan dalam persamaan

r = n2aB, n = 1, 2, 3,................. (2.6)

Dalam persamaan ini, aB adalah jari-jari minimum bila n = 1. Nilai ini, 5,2918 x 10–11 m,

disebut dengan jari-jari Bohr.

Gambar 2.3 Model Bohr. Elektron akan berotasi dalam orbit sirkular di sekililing inti. Nilai

jari-jarinya dikontinyu dan dapat diprediksikan dari teori Bohr.

Energi elektron dalam atom hidrogen merupakan jumlah energi kinetik dan energi

potensilanya, Jadi :

E = mv2/2 - e2/4πε0r ........................ (2.7)

Latihan 2.5 Energi elektron dalam atom hidrogen.

Dengan menggunakan persamaan 2.3 dan 2.4, turunkan persamaan yang tidak

mengandung suku v untuk mengungkapkan energi elektron dalam atom hidrogen.

Jawab: Persamaan2.4 dapat diubah menjadi mv2 = e2/4πε0r. Dengan mensubstitusikan

persamaan ini kedalam persamaan 2.7, anda dapat mendapatkan persamaan berikut setelah

penyusunan ulang:

13


E = -me4/8ε02n2h2 、 n = 1 ,2 ,3.......... (2.8)

Jelas energi elektron akan diskontinyu, masing-masing ditentukan oleh nilai n. Alasan

mengapa nilai E negatif adalah sebagai berikut. Energi elektron dalam atom lebih rendah

daripada elektron yang tidak terikat pada inti. Elektron yang tidak terikat inti disebut elektron

bebas. Keadaan stasioner paling stabil elektron akan berkaitan dengan keadaan dengan n = 1.

Dengan meningkatnya n, energinya menurun dalam nilai absolutnya dan menuju nol.

c. Spektra Atom Hidrogen

Menurut teori Bohr, energi radiasi elektromagnetik yang dipancarkan atom berkaitan

dengan perbedaan energi dua keadaan stationer i dan j. Jadi,

ΔE = hν = │Ej - Ej│= (2π2me4/ε02h2 )［(1/ni2 ) -(1/nj

2 ) ］ nj > ni ...... (2.9)

Bilangan gelombang radiasi elektromagnetik diberikan oleh:

ν = me4/8ε02n2h3)［(1/ni

2 ) -(1/nj2 ) ..................................... (2.10)

Suku tetapan yang dihitung untuk kasus nj = 2 dan ni = 1 didapatkan identik dengan

nilai yang didapatkan sebelumnya oelh Rydberg untuk atom hidrogen (lihat persamaan 2.1).

Nilai yang secara teoritik didapatkan oleh Bohr (1,0973 x 10–7 m–1) disebut dengan konstanta

Rydberg R∞.

Deretan nilai frekuensi uang dihitung dengan memasukkan nj = 1, 2, 3, … berkaitan

dengan frekuensi radiasi elektromagnetik yang dipancarkan elektron yang kembali dari

keadaan tereksitasi ke tiga keadaan stasioner, n = 1, n =2 dan n = 3. Nilai-nilai didapatkan

dengan perhitungan adalah nilai yang telah didapatkan dari spektra atom hidrogen. Ketiga

deret tersebut berturut-turut dinamakan deret Lyman, Balmer dan Paschen. Ini

mengindikasikan bahwa teori Bohr dapat secara tepat memprediksi spektra atom hidrogen.

Spektranya dirangkumkan di Gambar 2.4.

14


Gambar 2.4 Spektra atom

hidrogen. Teori Bohr dapat menjelaskan semua transisi.

d. Hukum Moseley

Fisikawan Inggris Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887-1915) mendapatkan, dengan

menembakkan elektron berkecepatan tinggi pada anoda logam, bahwa frekuensi sinar-X yang

dipancarkan khas bahan anodanya. Spektranya disebut dengan sinar-X karakteristik. Ia

menginterpretasikan hasilnya dengan menggunakan teori Bohr, dan mendapatkan bahwa

panjang gelombang λ sinar- X berkaitan dengan muatan listrik Z inti. Menurut Moseley,

terdapat hubungan antara dua nilai ini (hukum Moseley; 1912).

1/λ = c(Z - s)2 ..................... (2.11)

c dan s adalah tetapan yang berlaku untuk semua unsur, dan Z adalah bilangan bulat. Bila

unsur-unsur disusun dalam urutan sesuai dengan posisinya dalam tebel periodik (lihat bab 5),

nilai Z setiap unsur berdekatan akan meningkat satu dari satu unsur ke unsur berikutnya.

Moseley dengan benar menginterpretasikan nilai Z berkaitan dengan muatan yang dimiliki

inti. Z tidak lain adalah nomor atom.

Latihan 2.6 Perkiraan nomor atom (hukum Moseley)

Didapatkan bahwa sinar-X khas unsur yang tidak diketahui adalah 0,14299 x 10–9 m.

Panjang gelombang dari deret yang sama sinar-X khas unsur Ir (Z = 77) adalah

15


0,13485 x 10–9 m. Dengan asumsi s = 7,4, perkirakan nomor atom unsur yang tidak

diketahui tersebut.

Jawab: Pertama perkirakan √c dari persamaan (2.1).

[1/0,13485x10−9(m)]1/2= √ c. (77 − 7.4) = 69,6 √c; jadi √c = 1237,27, maka

[1/0,14299x10−9(m)]= 1237 (z − 7.4) dan didapat z = 75

Berbagai unsur disusun dalam urutan sesuai dengan nomor atom sesuai hukum

Moseley. Berkat hukum Moseley, masalah lama (berapa banyak unsur yang ada di alam?)

dapat dipecahkan. Ini merupakan contoh lain hasil dari teori Bohr.

e. Keterbatasan Teori Bohr

Keberhasilan teori Bohr begitu menakjubkan. Teori Bohr dengan sangat baik

menggambarkan struktur atom hidrogen, dengan elektron berotasi mengelilingi inti dalam

orbit melingkar menjadi jelas bahwa ada keterbatasan dalam teori ini. Seetelah berbagai

penyempurnaan, teori Bohr mampu menerangkankan spektrum atom mirip hidrogen satu

elektron seperti ion helium He+. Namun, spektra atom atom poli-elektronik t idak dapat

dijelaskan.

Selain itu, tidak ada penjelasan persuasif tentang ikatan kimia dapat diperoleh.

Dengan kata lain, teori Bohr adalah satu langkah ke arah teori struktur atom yang dapat

berlaku bagi semua atom dan ikatan kimia. Pentingnya teori Bohr tidak dapat diremehkan

karena teori ini dengan jelas menunjukkan pentingnya teori kunatum untuk memahami

struktur atom, dan secara lebih umum struktur materi.

16


C. RADIASI BENDA HITAM

1. Pengertian Radiasi

Radiasi adalah proses pemancaran energi atau perambatan gelombang yang membawa

energi melalui ruang atau antara, misal pemancaran dan perambatan gelombang

elektromagnetik, gelombang bunyi; gelombang lenting; penyinaran. Dengan demikian dapat

dikatakan bahwa radiasi bukan hanya radiasi nuklir, tetapi juga radiasi lain seperti gelombang

radio, gelombang televisi, pancaran sinar matahari, dll.

Dalam fisika, radiasi mendeskripsikan setiap proses di mana energi bergerak melalui

media atau melalui ruang, dan akhirnya diserap oleh benda lain. Radiasi sering

menghubungkan kata radiasi ionisasi (misalnya, sebagaimana terjadi pada senjata nuklir,

reaktor nuklir, dan zat radioaktif), tetapi juga dapat merujuk kepada radiasi elektromagnetik

(yaitu, gelombang radio, cahaya inframerah, cahaya tampak, sinar ultra violet, dan X-ray),

radiasi akustik, atau untuk proses lain yang lebih jelas. Apa yang membuat radiasi adalah

bahwa energi memancarkan (yaitu, bergerak ke luar dalam garis lurus ke segala arah) dari

suatu sumber. geometri ini secara alami mengarah pada sistem pengukuran dan unit fisik

yang sama berlaku untuk semua jenis radiasi.

Gambar 1. Tiga macam radiasi yang dapat menembus benda-benda padat ( kertas,

alumunium, timbal).

2. Pengertian Radiasi Benda Hitam

17


2.1 Radiasi Benda Hitam

Pengertian benda hitam adalah suatu sistem yang menyerap semua radiasi

kalor / radiasi elektromaknetik dalam kesetimbangan termal dengan benda hitam pada

suhu tertentu.

(a) (b)

Gambar 2. Cahaya yang masuk kedalam melalui celah dinding

Dari gambar 1 terlihat sebuah kotak yang terbuat dari logam yang di anggap sebagai

benda hitam sempurna dan salah satu sisinya di buat lubang. Cahaya yang masuk ke kbang di

pantulkanterus terusmenerus dinding kotak dan hampir dapat di pastikan tidak ada cahaya

yang keluar, ini artinya lubang telah berfungsi menyerap radiasi kalor yang ada. Radiasi

cahaya yang keluar dari kotak benda hitam melalui senuah lubang berasal dari isolator-

isolator harmonik yang menimbulkan gelombang elektromaknetik. Gelombang elektro

manknetik yang di timbulkan oleh isolaator akan di pantulkan berulang-ulang oleh dinding

kotak dan membentuk gelombang berdiri.

Intensitas radiasi termal berbanding lurus dengan pangkat empat dari suhu benda

semakin tinggi suhu suatu benda semakin besar pula energi panas yang di pancarkan. Selain

itu energi kalo dan intensitas radiasi termal sangat bergantung pada kondisi, bentuk dan

permukaan yang dimiliki benda. Menurut Stefan-Boltzmann intensitas suatu benda

dinyatakan dengan:

....................................(1)

Keterangan :

e = emisivitas benda (0 < e < 1), untuk benda hitam sempurna e = 1

18


T = suhu (K)

σ = konstanta stefan Bolztmann = 5,67 x 10-8 W/m2K4

Oleh karena intensitas adalah energi yang dipancarkan tiap satuan waktu dan tiap satuan luas,

maka intensitas radiasi termal dapat juga dinyatakan sebagai daya per satuan luas.

19


.......................................(2)

Keterangan :

I = intensitas radiasi termal (W/m2)

P = daya (W)

A = luas permukaan benda (m2)

Dengan mensubtitusukan persamaan 2 ke persamaan 1 maka daya yang di pancarkan benda

akan memiliki persamaan :

P = e σ AT4 ...............................(3)

2.2 Spektrum Radiasi Benda Hitam

Jika suatu benda padat dipanaskan, benda tersebut akan memancarkan rasiasi kalor

dalambentuk spektrum geombang elektromaknetik dengan frekuensi dan panjang gelombang

yang berbeda. Pada suhu yang lebih tinggi akan terdapat radiasi inframerah yang tidak dapat

terlihat tetapi dapat di rsakan panasnya. Hal ini dapat terlihat pada sepotong logam yang di

panaskan hingga mencapai suhu 2000K. Logam berpijar dengan warna kuning atau keputih-

putihan. Radiasi gelombang yang di pancarkan kemudian dilewati melalui celah agar di

peroleh berkas gelombang yang sempit seperti pada gambar 3.

Gambar 3. Radiasi gelombang dipancarkan melalui celah

Dengan demikian gelombang akan terdispersi menurut panjang gelombang setiap

spektrum. Detektor yang terlihat dapat di geser-geser menurut sudut deviasi gelombang

20


terdispersi. Intensitas spektrum radiasi yang berbeda-beda seperti pada gambar 3 sebagai

berikut :

(a)

(b)

(c)

Gambar 4. Spektrum warna pijar suatu benda berubah terhadap suhunya

21


Gambar 5.Grafik pergeseran panjang gelombang pada suhu saat suhu berubah dari

T1 ke T2

22


Dari gambar 5 terlihat bahwa panjang gelombang intensitas maksimum gelombang

yang suhunya tinggi lebih pendek dari panjang gelombang intensitas suhunya lebih rendah.

Gejala pergeseran λ maks pada radiasi benda radiasi benda hitam tersebut hukum pergeseran

Wiewn. Secara matematis, Hukum pergeseran Wien di yatakan dalam rumus berikut :

..........................................(4)

Wien menemukan bahwa hasil kali antara antara λ maksdan suhu mutlak merupakan

bilangan konstan seperti pada persamaan 4 dan bilangan konstan pada perumusan hukum

pergeseran Wien juga di gunakan untuk memperkiarakan suhu sebuah bintang dengan

melihat warna cahaya pada sebuah bintang.

2.3 Pendekatan Teori Rayleigh–Jeans

Pada tahun 1890, muncul pernyataan bagaimana menjelakan spektrum radiasi benda

hitam. Pengamatan dan exsperimen yang telah dilakukan pada masa itu mencoba mencari

penjelasan spektrum radiasi di terangkan oleh Lord Rayleigh ( 1842-1919) dan sir James

Hopward Jeans ( 1877-1946) perumusan yang di gunakan teori fisika klasik seperti teori

kinetik gas. Teori ekipartisi menyatakan bahwa energi total gas dalam ruangan tertup di bagi

secara merata kesetiap melekul yang terdapat di dalam ruangan.

Gambar 6. Besaran jumlah partikel yang memiliki kecepatan

Gambar . memperlihatkan sebarankecepatan yang dimiliki molekul gas. Sebaran energi

kecepatan karena energi kinetik selalu berhubungan dengan keceptan. Rayleigh–Jeans

melihat bahwa kurva sebaran itu serupa denga hasil yang diperoleh pada instensitas spektrum

radiasi termal. Degan pendekan Rayleigh–Jeans diperoleh rumusan bahwa intensitas radiasi

berbanding terbalik dengan pangkat empat panjang gelombang (λ).

23


Gambar. 7 Perbandingan teori Wien, dan Rayleigh–Jeans,dengan teori Plank

Teori Wien dapat menerangkan spektrum pada gelombang yang pendek,tetapi

menyimpang ketika menerangkan panjang gelombang yang panjang. Sebaliknya teori

Rayleigh–Jeans dapat menerangkan spektrum pada panjang gelombang yang panjang, tetapi

menyimpang pada gelombang yang pendek.

2.4 Teori Planck

Teori klasik tentang cahaya sebagai gelombang elektromaknetik dapat

menjelaskandari dari manaasal radio kalor,tetapi tidak bisa dengan tepat memprediksi

spektrum cahaya yang di pancarkan sebagai mana yang teramati oleh teori Wien. Teori Wien

mampu menjelaskan untuk benda hitam dengan panjang gelombang pendek, sebaliknya

dengan teori Rayleigh–Jeans dapat menerangkan spektrum pada panjang gelombang yang

panjang tetapi gagal pada gelombang yang pendek.

Pada tahun (1854-1947) seorang fisikiawan Jerman, Max Planck melakukan

pendekatan dengan mengajukan suatu rumus empiris dan sangat cocok dengan hasil

pengamatanya.

Plank menggunakan rumus empiris membuat asumsi yaitu : tentang getaran molekul-

molekul dipermukaan benda hitam, berikut postulat Plank :

1) Energi radiasi yang di pancarkan oleh getaran molekul-mlekul (isolator) merupakan

paket-paket (kuanta) energi. Besarnya energi dalam setiap paket merupakan suatu

bilangan bulat suatu besaran “E”

24


......................................(5)

Dengan n adalah bilangan asli ( 1,2,3,......) yang di sebut bilangan kuantum dan f

adalah frekuensi gearan molekul-molekul, sedangakan dan f adalah frekuensi getarab

molekul-molekul, sedangkan h merupakan konstanta Planck yang besarnya 6,626 x 10-32Js.

Oleh karena energi radiasi bersidat diskrit, dikatakan energinya terkuantisasi dan energi yang

di perbolehkan dengan n=1,2,3,... di sebut tingkat energi.

2) Molekul-molekul menyerap aut memancarkan energi radiasi dalam paket diskrit yang

di sebut kuantum atau foton. Energi 1 foton karena perbedaan dua tingkat energi

seperti pada gambar 7.

Gambar 8. Tingkat-tingakat energi yang di perkenakan untuk molekul yang

frekuensinya f

...................................... (6)

Jika molekul-melekul menyerap 1 foton tingkat energinya bertambah atau berkurang

berkurang sebesar hf.Contoh;

Jumlah minimum foton yang panjang gelombangnya (λ) = 555 nM untuk menimbulkan

rangsangan visual pada mata normal adalah n=100 foton/s

25


Energi cahaya berdasarkan pada persamaan (5)

Hukum Placnk adalah :

Dianama :

I (v,T)dv= Jumlah energi persatuan luas persatuan waktu yang di

pancarakan pada rentang frekuensi oleh benda hitam

C = Kecepatan cahaya

K = Boltzmann konstan

V = Frekuensi radiasi elektromaknetik

T = Temperatur, K

Hukum Planck yang akurat menggambarkan spektrum lengkap dari radiasi termal :

Dengan pendekatan hukum Wien dengan asumsi Planck hv > kT

26


BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

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.

Ditemukan seratus tahun lalu oleh Albert Einstein muda. Pada tahun itulah ia membuat

karya besarnya. Salah satunya adalah tentang efek fotolistrik. Oleh panitia Hadiah Nobel

Fisika, makalah itu dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada 1921.

Bila logam atau senyawanya dipanaskan di pembakar, warna khas logam akan

muncul. Ini yang dikenal dengan reaksi nyala. Bila warna ini dipisahkan dengan prisma,

beberapa garis spektra akan muncul, dan panjang gelombang setiap garis khas untuk logam

yang digunakan. Misalnya, garis kuning natrium berkaitan dengan dua garis kuning dalam

spektrumnya dalam daerah sinar tampak, dan panjang gelombang kedua garis ini adalah

5,890 x 10–7 m dan 5,896 x 10–7 m.

Radiasi adalah proses pemancaran energi atau perambatan gelombang yang membawa

energi melalui ruang atau antara, misal pemancaran dan perambatan gelombang

elektromagnetik, gelombang bunyi; gelombang lenting; penyinaran. Dengan demikian dapat

dikatakan bahwa radiasi bukan hanya radiasi nuklir, tetapi juga radiasi lain seperti gelombang

radio, gelombang televisi, pancaran sinar matahari dan sebagainya.

27


DAFTAR PUSTAKA

Siswanto. 2008. Kompetensi Fisika Untuk SMA. Jakarta: Departemen Pendidkan Nasional.

http://pendidikansains.blogspot.com

http://en.wikipedia.org/wiki/Black_body#Planck.27s_law_of_black-body_radiation

http://org.ntnu.no/solarcells/pages/Chap.2.php

28

http://org.ntnu.no/solarcells/pages/Chap.2.php

http://en.wikipedia.org/wiki/Black_body#Planck.27s_law_of_black-body_radiation

Makalah Kimfis Lanjut Final

Documents

Transcript of Makalah Kimfis Lanjut Final