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.