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 ( V S ) . Berdasarkan S). 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 se makin meningkat. Hal ini menunjukkan bahwa cahaya berperilaku sebagai partikel sesuai dengan teori kuantum. Hasil − . Nilai ini hampir menunjukkan eksperimen diperoleh nilai konstanta Planck sebesar − dan diperoleh nilai fungsi kerja logam sebesar kesesuaian dengan konstanta Planck yaitu − . 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.
ℎ = 6,46 46 10 6,6210
2,399 10
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. eksperimental. Kemudian ahli fisika Jerman Jerman Heinrich Hertz tahun 1888 membuktikan membuktikan bahwa gelombang elektromagnetik elektro magnetik benar adanya dan berperilaku tepat seperti ramalan Maxwell. Dalam eksperimennya, Hertz mendapati bahwa percikan sinar pada pada transmisi terjadi 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 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 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 permukaan logam/metal, 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 elektromagnet terdiri atas paket paket energi. Jika frekuensi gelombang electromagnet adalah v, besar paket energinya adalah hv. hv. Paket energi demikian juga disebut foton, terpencar sewaktu osilator harmonis sumber tingkat tenaganya[2]. tenaganya[2]. Fakta-fakta eksperimen efek fotolistrik yaitu: Diperlukannya frekuensi ambang untuk menghasilkan 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 berfrekuensi v memiliki energi E = h.v (1)
potensial balik Vs antara anoda dan katoda, arus fotolistrik dapat dihentikan. EK max dapat max 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: EK max max = e. V s
Dengan mensubtitusi persamaan (3) ke dalam persamaan persamaan (2) diperoleh persama persamaan an Einstein.
1)
h adalah tetapan Planck dengan menggunakan teori Planck, Einstein menemukan gejala efek fotolistrik dengan persamaan: persamaan: E = hv = EK max max + W 0
(3)
hv = e.V s + W 0
(4)
Bila dan diplot, akan diperoleh grafik sebagai berikut:
(volt) Slope =
ℎ⁄
V
(x 1014 Hz) Grafik hubungan potensial penghenti dengan dengan frekuensi Perpotongan kurva dengan sama dengan 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]. GAMBAR
ℎ⁄
2.
⁄
ℎ
(2)
Dengan EK max (eV ), ), max = energi kinetik maksimum (eV dan W0 = fungsi kerja logam (eV (eV ). ). Persamaan (2) memungkinkan pengukuran konstanta Planck (h (h) dengan analisis sebagai berikut. Cahaya dengan energi hv hv menabrak elektron katoda di dalam tabung hampa. Elektron memanfaatkan energi minimum W0 untuk melepaskan diri dari katoda, beberapa elektron keluar dengan energi maksimum EK max max. Umumnya, elektron tersebut dapat mencapai anoda dan dapat diukur sebagai arus fotoelektron. Akan tetapi dengan menerapkan
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.
HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISA DATA
Hubungan potensial penghalang dengan potensial penghenti Keadaan Perlakuan 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 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 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 Tabel
1.
√
GAMBAR
3.
Perangkat
Percobaan
Efek
Fotolistrik Terdapat dua kegiatan yang dilakukan pada percobaan percobaan ini. Pada kegiatan pertama, penulis ingin memastikan 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 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. arusnya. Kegiatan Kedua, untuk mengetahui pengaruh frekuensi terhadap potensial penghenti dilakukan dilakukan dengan menganti 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.
√ √
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 Panjang Frekue- Potensial warna gelombansi penghenti 14 ng (nm) (x10 (volt) Hz) Merah 635 4,72 -0.33 Jingga 570 5,26 -0.58 -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:
y = 0.4039x 0.40 1.4987 1.4987 y = 0.4039x 0.403 9x - 39x 1.4987 1.49-87 R² = 0.8455 R² = 0.8455 ) t l o v ( i t n e h g n e P
dapat dihubungkan dengan yang diperoleh dari analisis grafik, maka dapat ditentukan y = mx + c
=0,4031,498 dimana, 屻 . = ℎ + = ℎ (10 ) + Menentukan konstanta konstanta Planck = (10) h = m.e
− ) 10− ℎ = (0,403) 0,403) (1,602 10 = 0,645606 0,645606− 10− . = 6,46 46 10 10 . ,−,)x 100% % = |(,−,) , x | = 2.41 41 %
Menetukan fungsi fungsi kerja W o
= (10−) =. = (1,498) 1,498) (− 1,602 10−) 10− = 2,399 2,399 10
Untuk kegiatan kedua, dilakukan pengamatan pengamatan terhadap pengaruh frekuensi terhadap potensial penghenti. Berdasarkan Berdasarkan hasil pengamatan diperoleh bahwa semakin besar frekuensi yang diberikan maka semakin besar pula potensial penghentinya.Berdasarkan penghentinya.Berdasarkan hasil analisis grafik dari data yang diperoleh pada kegiatan kedua, didapatkan didapatkan nilai konstanta − . Nilai ini Planck sebesar mendekati nilai konstanta Planck secara teori, − dengan penyimpangan yaitu yang diperoleh dari %diff sebesar 2,41% dan nilai fungsi kerja logam − diperoleh . Adanya perbedaan yang diperoleh walaupun sangat sedikit diakibatkan dari kurang telitinya praktikan dan komponen-komponen perangkat percobaan berada dalam dalam keadaan keadaan yang kurang kurang normal.
6,46 6,46 10 . 6,6210 2,399 10
n a g n a g e T
Frekuensi (x 10^14 Hz)
Hubungan antara potensial penghenti dengan dengan frekuensi. GAMBAR
Dari analisis grafik dapat dihitung konstanta planck (h) dan fungsi kerja (W0) dengan menggunakan persamaan efek fotolistrik E = hv = eV S + W 0 (5) S +
4.
SIMPULAN
Berdasarkan hasil eksperimen 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 ketika frekuensi dirubah, potensial penghentinya juga ikut berubah. Konstanta Planck yang diperoleh berdasarkan hasil − analisis grafik sebesar menunjukkan nilai mendekati konstanta Planck − . secara teori sebesar
6,46 6,46 10 . 6,6210
REFERENSI [1]Muljono. 2003. Fisika Yogyakarta.
Modern. Modern.
Andi:
[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.
