LAPORAN PRAKTIKUM FISIKA MODERN JUDUL PRAKTIKUM PENENTUAN KONSTANTA PLANCK
OLEH:
NAMA NIM OFFERING KELOMPOK HARI/TANGGAL PEMBIMBING
: THATHIT SUPRAYOGI : 130322615513 : N-2 : 11 : 7 Oktober 2015 : Dr. HARI WISODO, M. Si
LABORATORIUM FISIKA MODERN JURUSAN FISIKA FMIPA UNIVERSITAS NEGERI MALANG 2015
LAPORAN PRAKTIKUM FISIKA MODERN PENENTUAN KONSTANTA PLANCK A. TUJUAN Dengan melakukan percobaan ini diharapkan, bahwa Mahasiswa dapat : a. Mengukur tegangan pada kotak h/e untuk bervariasi intensitas dari satu warna cahaya yang menimpa katoda. b. Mengukur tegangan pada kotak h/e untuk beberapa warna cahaya yang menimpa logam dengan intensitas terkontrol tetap. c. Mendapatkan hubungan antara energy kinetik elektron yang terpancar dengan frekuensi cahaya yang menimpa katoda. d. Menentukan konstanta alam Planck. e. Menentukan fungsi kerja bahan lempeng katoda. B. TEORI DASAR Untuk membangun formulasi yang mencerminkan fenomena fotolistrik, Einstein menggunakan azas konservasi energy, sedemikian sehingga diperoleh Energi yang diserahkan foton = energy yang diterima elektron Dalam hal ini foton berfrekuensi menyerahkan energy sebesar h (h=6,626 10-34 J/s, konstanta alam Planck). Energy foton datang setidaknya sebesar fungsi kerja logam. Elektro foto menerima energy foton untuk melepaskan diri dari ikatan logam dan bergerak dengan energy kinetik sebesar Kmax. Sehingga konservasi energy dapat diformulasikan sebagai h K max ………….……………(1) dengan maksud memperoleh kuantitas energy kinetetik elektro foto, maka persamaan (1) akan lebih tepat menjadi K max h ……………………….(2) yang memberika hubungan linier antara berubahnya energy kinetic tehadap variasi frekuensi cahaya yang mengenai logam. Sesuai dengan K max eVs , energy kinetic maksimum secara eksperimen dapat diperoleh dari potensial penghenti Vs . eVs h atau
h Vs ………………………..(3) e e Persamaan linier bagi hubungan antara potensial penghenti elektro yang terlepas dari logam vs. frekuensi dapat dimanfaatkan untuk penentuan ulang konstanta Planck h.
C. ALAT DAN BAHAN
Gambar 1. (a). Bagan Dasar Set-up Percobaan. (b). Bagian Utama. (c). Komponen-komponen Alat bantu Set up peralatan tersusun atas : Tiga bagian utama: 1. kotak h/e. 2. kotak sumber cahaya Hg. 3. filter cahaya tampak. Peralatan bantu: 1. batang penghubung dari kotak h/e ke kotak sumber cahaya. 2. Landasan penyangga kotak h/e. 3. Perangkat lensa dan kisi yang dilekatkan pada sisi depan kotak sumber cahaya. 4. Tameng cahaya yang dilekatkan pada sisi belakang kotak sumber cahaya Hg. 5. Papan pengatur cahaya yang dilekatkan pada kotak h/e. 6. Voltmeter digital yang harus terhubung ke kotak h/e. D. PROSEDUR PERCOBAAN Persiapan 1. Sebelum melakukan eksperimen memeriksa semua kelengkapan perlatan seperti yang disebutkan diatas a. Memerikasa bahwa semua unit dalam keadaan off dan skala sumber terkecil dan alat ukur terbesar. b. Menyusun set rangkaian eksperimen sesuai desain percobaan. Percobaan 1 (mengamati hubungan antara pengukuran potensial penghenti dengan variasi intensitas cahaya) 2. Mengatur posisi tabung h/e sedemikian sehingga hanya satu warna yang jatuh pada celah cahaya (pada papan pengatur cahaya) yang selanjutnya lewat jendela masuk menuju photodioda. Jika warna cahaya tadi adalah kuning maka tempelkanlah filter warna kuning pada papan pengatur cahaya.
3. menempelkan filter transmisi di depan filter warna, memilih tingkat transmisi 100% (intensitas penuh). Mengukur beda tegangan penghenti (dengan volt meter) melalui terminal output pada panel kotak h/e; mencatat hasilnya pada tabel. 4. Menekan tombol pelepas muatan "push to zero" lalu melepaskan tekanan tadi dan mengamati display pembacaan volt meter, melepaskan filter transmisi cahaya (sehingga tinggal filter warna saja). Mengukur beda tegangan penghenti (seperti langkah 3 dan 4). 5. Mengulangi langkah-langkah 2, 3, 4 dan 5 dengan memvariasi tingkat transmisi lainnya (80%, 60%, 40% dan 20%). 6. Mengulangi langkah-laangkah 2 s.d. 6 untuk warna hijau. Percobaan 2 (Mengamati hubungan antara pengukuran potensial penghenti dengan variasi cahaya tampak) 7. Memfokuskan perhatian pada spektrum hasil difraksi orde pertama. Tampak terdapat 5 warna berurutan, yakni kuning, hijau, biru, violet dan ultra violet. 8. Menjatuhkan spectrum cahaya warna kuning (pola inteferensi) pada celah cahaya kotak h/e (pada papan pengatur cahaya) agar cahaya tersebut mengenai photodioda. 9. Mengamati penunjukkan beda potensial penghenti dan mencatat pada table yang sesuai. 10. Mengulangi langkah-langkah 8 dan 9, untuk warna-warna berikutnya. 11. Mengulangi langkah-langkah 8, 9 dan 10 di atas untuk spektrum tingkat kedua. E. DATA PENGAMATAN Tabel 1. Data Pengamatan Percobaan 1 (Filter Kuning) No. Tingkat Transmisi Vs ± ΔVs (V) 100 % 0,460 ± 0,005 1. 80 % 0,440 ± 0,005 2. 60 % 0,420 ± 0,005 3. 40 % 0,380 ± 0,005 4. 20 % 0,310 ± 0,005 5. Tabel 2. Data Pengamatan Percobaan 1 (Filter Hijau) No. Tingkat Transmisi Vs ± ΔVs (V) 100 % 0,420 ± 0,005 1. 80 % 0,390 ± 0,005 2. 60 % 0,370 ± 0,005 3. 40 % 0,330 ± 0,005 4. 20 % 0,250 ± 0,005 5. Tabel 3. Data Pengamatan Percobaan 2 (Orde Pertama) No. Warna Vs ± ΔVs (V) Ungu 0,480 ± 0,005 1. Hijau 0,350 ± 0,005 2. Kuning 0,310 ± 0,005 3.
Tabel 4. Data pengamatan percobaan 2 (Orde Kedua) No. Warna Vs ± ΔVs (V) Ungu 0,310 ± 0,005 1. Hijau 0,220 ± 0,005 2. Kuning 0,190 ± 0,005 3. F. ANALISIS DATA a) Percobaan 1 1) Deskripsi hasil pengukuran potensial penghenti untuk berbagai instensitas cahaya yang menimpa pelat katoda dengan satu warna filter cahaya yang dikontrol tetap Berdasarkan data pengamatan untuk satu filter warna cahaya yag dikontrol tetap dengan berbagai intensitas cahaya yang menimpa pelat katoda, didapatkan hasil dari kedua filter warna kuning (tabel 1) dan hijau (tabel 2) menunjukkan perubahan besar potensial penghenti terhadap intensitas cahaya yang digunakan. Didalam data terlihat semakin kecil intensitas cahaya yang ditembakkan semakin kecil pula potensial penghentinya. Hal ini dikarenakan untuk penentuan ulang konstanta Planck pada set percobaan yang digunakan seharusnya di pasang Ampermeter sebagai pengamat banyaknya elektron yang lewat tiap detik sebagai arus listrik. Sehingga semakin besar intensitasnya maka jumlah elektron yang terlepas dan mengalir semakin banyak, jadi diperlukan potensial penghenti yang besar. Seharusnya sesuai dengan tinjauan fisika modern bahwa distribusi energi elektron terpancar (fotoelektron) tidak bergantung dari intensitas cahaya. Berkas cahaya yang kuat hanya menghasilkan fotoelektron atau elektron terpancar lebih banyak tetapi energi fotoelektron rata-rata sama saja dibanding fotoelektron oleh berkas cahaya berintensitas lebih lemah dengan frekuensi sama. b) Percobaan 2 2) Deskripsi hasil pengukuran potensial penghenti dengan frekuensi cahaya yang menimpa pelat katoda jika intensitas cahaya dikontrol tetap. Berdasarkan data pengamantan pada tabel 3 dan tabel 4 terlihat bahwa semakin besar frekuensi cahaya yang ditembakkan pada pelat katoda maka potensial penghentinya juga semakin besar. Hal ini dikarenakan energi yang diserap oleh elektronfoto semakin besar sehingga dibutuhkan energi potensial penghenti yang lebih besar, ditandai dengan pembacaan potensial penghenti pada voltmeter yang semakin besar. 3) Hubungan antara energi potensial penghenti dengan frekuensi cahaya yang menimpa pelat katoda jika intensitasnya tetap Energi yang diserahkan foton = energy yang diterima elektron Dalam hal ini foton berfrekuensi menyerahkan energy sebesar h (h=6,626 -34 10 J/s, konstanta alam Planck). Energy foton datang setidaknya sebesar fungsi kerja logam. Elektro foto menerima energy foton untuk melepaskan diri dari ikatan logam dan bergerak dengan energy kinetik sebesar Kmax. Sehingga konservasi energy dapat diformulasikan sebagai h K max ………….……………(1)
dengan maksud memperoleh kuantitas energy kinetetik elektro foto, maka persamaan (1) akan lebih tepat menjadi K max h ……………………….(2) yang memberika hubungan linier antara berubahnya energy kinetic tehadap variasi frekuensi cahaya yang mengenai logam. Sesuai dengan K max eVs , energy kinetic maksimum secara eksperimen dapat diperoleh dari potensial penghenti Vs . eVs h atau
h Vs ………………………..(3) e e Persamaan linier bagi hubungan antara potensial penghenti elektro yang terlepas dari logam vs. frekuensi dapat dimanfaatkan untuk penentuan ulang konstanta Planck h. Potensial penghenti diwakili oleh besaran (frekuensi cahaya), (fungsi kerja), e (muatan elektron), dan h (konstanta alam Planck). 4) Metode fitting linier kuadrat terkecil ORDE I Warna λ (m) Ungu 4,05·10-7 Hijau 5,46·10-7 Kuning 5,78·10-7
(Hz) Sb.x
Vs (Volt) Sb.y 0,48 0,35 0,31
14
7,41·10 5,49·1014 5,19·1014
h Sesuai dengan Vs dengan pemodelan persamaan linier y a bx e e h sehingga Vs sebagai y , sebagai x, dan gradient garis/slope (b) adalah dengan e a adalah intercept. e Grafik Hubungan Antara Frekuensi Cahaya dengan Potensial Penghenti Orde I 0.50 0.48
potensial penghenti (V)
0.46 0.44 0.42 0.40
potensial penghenti (V) fitting linier kuadrat terkecil
0.38 0.36
Equation Adj. R-Square
0.34
y = a + b*x 0.97922 Value
0.32
a
Intercept
b
Slope
Standard Error
-0.06265
0.04595
7.34078E-16
7.52131E-17
0.30 5.00E+014
5.50E+014
6.00E+014
6.50E+014
Frekuesi (Hz)
7.00E+014
7.50E+014
Ralat untuk gradient/slope (b) sb R 100% b 7,52131 10 -17 100% 7,34078 10 -16 10,25% (2 Angka Penting)
Didapat nilai gradient/slope adalah b= 7,3 0,8 10 16 dengan ralat 10,25%
Ralat untuk intercept (a) s R a 100% a 0,04595 100% 0,06265
73,34% (2 Angka Penting) Jadi, nilai intercept adalah a = 0,063 0,046 dengan ralat 73,34 % a.
Penentuan konstanta Planck (h) sh
h e h be b
h s b b e sb
2
2
7,3 10 16 J C s 1,6 10 19 C
1,6 10 19 0,8 10 16
1,168 10 34 J s Ralat untuk konstanta Planck (h) s R h 100% h 1,28 10 35 100% 1,168 10 34
1,28 10 35 J s
10,96% (2 Angka Penting)
Jadi, nilai konstanta Planck adalah h = 1,2 0.1 10 34 J/s dengan ralat 10,96 % Besar penyimpangan kosntanta Planck antara eksperimen dan nilai referensi R
heksperimen hreferensi hreferensi
100%
1,2 10 34 6,626 10 34 100% 6,626 10 34 81,89 (2 Angka Penting)
Terdapat penyimpangan konstanta Planck sebesar 81,89%
b. Penentuan fungsi kerja logam ( ) a
s b b
s
e a e
e sb
2
2
0,063 J C 1,6 10 19 C
1,6 10 19 0,046
0,1008 10 19 J
0,0736 10 19 J
Ralat untuk fungsi kerja logam ( ) s
R
100%
0,0736 10 19 100 % 0,1008 10 19
73,02% (2 Angka Penting)
Jadi, nilai fungsi kerja adalah 1,0 0.1 10 20 J dengan ralat 73,02 % ORDE II Warna Ungu Hijau Kuning
(Hz) Sb.x
λ (m) 4,05·10-7 5,46·10-7 5,78·10-7
Vs (Volt) Sb.y 0,31 0,22 0,19
14
7,41·10 5,49·1014 5,19·1014
h Sesuai dengan Vs dengan pemodelan persamaan linier y a bx e e h sehingga Vs sebagai y , sebagai x, dan gradient garis/slope (b) adalah dengan e h a adalah intercept. e Grafik Hubungan Antara Frekuensi Cahaya dengan Potensial Penghenti Orde II 0.32
potensial penghenti (V)
0.30
0.28
0.26
potensial penghenti (V) fitting linier kuadrat terkecil
0.24 Equation
0.22
y = a + b*x
Adj. R-Square
0.97242 Value
0.20
0.18 5.00E+014
5.50E+014
a
Intercept
b
Slope
6.00E+014
6.50E+014
Frekuesi (Hz)
Standard Error
-0.07048
0.0372
5.14888E-16
6.08868E-17
7.00E+014
7.50E+014
Ralat untuk gradient/slope (b) s R b 100% b 6,08868 10 -17 100% 5,14888 10 -16 11,83% (2 Angka Penting)
Jadi, nilai gradient/slope adalah b= 5,1 0,6 10 16 dengan ralat 11,83%
Ralat untuk intercept (a) s R a 100% a 0,0372 100% 0,07048
52,78% (2 Angka Penting) Jadi, nilai intercept adalah a = 0,070 0,037 dengan ralat 52,78 % a. Penentuan konstanta Planck (h) sh
h e h be b
5,1 10 16 J C s 1,6 10 19 C 0,816 10 34 J s Ralat untuk konstanta Planck (h) s R h 100% h 1,20 10 35 100% 0,816 10 34
h s b b e sb
2
2
1,6 10 19 0,6 10 16 1,20 10 35 J s
14,70% (2 Angka Penting)
Jadi, nilai konstanta Planck adalah h = 0,82 0.12 10 34 J/s dengan ralat 14,70 % Besar penyimpangan kosntanta Planck antara eksperimen dan nilai referensi R
heksperimen hreferensi hreferensi
100%
0,82 10 34 6,626 10 34 100% 6,626 10 34
87,82%
Terdapat penyimpangan konstanta Planck sebesar 87,82% b. Penentuan fungsi kerja logam ( )
a
e a e
s
s b b e sb
2
2
0,070 J C 1,6 10 19 C
1,6 10 19 0,037
0,112 10 19 J
0,0592 10 19 J
Ralat untuk fungsi kerja logam ( ) R
s
100%
0,0592 10 19 100% 0,1120 10 19 52,85 % (2 Angka Penting)
Jadi, nilai fungsi kerja adalah 1,1 0.6 10 20 J dengan ralat 52,85 % 5) Paparan pada fenomena 3 dan 4, andai digunakan konsep fisika klasik dan bandingkan dengan kerangka fisika modern. Secara klasik, sebenarnya peristiwa terpancarnya elektron dari permukaan logam yang disinari merupakan hal atau fenomena yang wajar. Hasil pengamatan yang tidak wajar dan tidak dapat dijelaskan oleh pemahaman klasik yaitu Tidak ada keterlambatan waktu antara datangnya cahaya pada permukaan logam dan terpancarnya elektron. Secara klasik, misalkan permukaan logam pada eksperimen adalah natrium, arus fotolistrik teramati jika energi elektromagnetik 106 J/m2 terserap oleh permukaan. Sementara ada 1019 atom pada selapis natrium setebal satu atom seluas 1 m2. jika dianggap cahaya datang diserap oleh lapisan atas dari atom-atom natrium, setiap atom menerima energi rata-rata dengan laju 10-25 W. Pada laju ini, natrium membutuhkan waktu 1,6 ·106 detik atau sekitar dua minggu untuk mengumpulkan energi sebesar 1 eV, yaitu energi fotoelektron. Energi fotoelektron bergantung pada frekuensi cahaya yang digunakan dan dibawah frekuensi tertentu tidak ada elektron dipancarkan walau intensitas diperbesar. Energi kinetik elektron, energi cahaya, dan energi minimum dari cahaya memenuhi hubungan Ek = E - ɸ0 Jelas, jika energi cahaya E kurang dari energi minimum ɸ0 tidak ada elektron terpancar. G. PEMBAHASAN Eksperimen yang dilakukan untuk menentukan ulang konstanta Planck dilakukan dengan menggunakan fenomena efekfotolistrik. Set alat yang digunakan dapat melihat variasi intensitas terhadap potensial penghenti dan variasi warna cahaya yang digunakan dengan potensial penghentinya. Sehingga dengan menggunakan persamaan (3) dapat ditentukan konstanta planck. Berdasarkan data pengamatan tabel 1 dan 2 bahwa sesuai dengan tinjauan fisika modern bahwa distribusi energi elektron terpancar (fotoelektron) tidak bergantung dari intensitas cahaya. Berkas cahaya yang kuat hanya menghasilkan fotoelektron atau elektron terpancar
lebih banyak tetapi energi fotoelektron rata-rata sama saja dibanding fotoelektron oleh berkas cahaya berintensitas lebih lemah dengan frekuensi sama (Purwanto, 2005). Berdasarkan analisis yang telah dilakukan untuk penentuan besar konstanta Planck didapat hasil sebagai berikut 1) Konstanta Planck pada Orde I adalah h = 1,2 0.1 10 34 J/s dengan ralat relatif 10,96 % dan penyimpangan terhadap referensi sebesar 81,89% 2) Konstanta Planck pada Orde II adalah h = 0,82 0.12 10 34 J/s dengan ralat relatif 14,70 % dan penyimpangan konstanta Planck sebesar 87,82% Berdasarkan analisis yang telah dilakukan untuk penentuan fungsi kerja pelat katoda yang digunaka didapat hasil sebagai berikut a. Fungsi kerja pada Orde I adalah 1,0 0.1 10 20 J dengan ralat 73,02 % b. Fungsi kerja pada Orde II adalah 1,1 0.6 10 20 J dengan ralat 52,85 % Jika dilihat dari hasil analisis pada penentuan konstanta Planck terdapat nilai ketidakpastian yang sangat besar jika dilihat dari nilai ralat relatifnya >10%, sehingga bila dibandingkan dengan nilai referensinya terdapat perbedaan nilai yang sangat besar yaitu >80%. The earliest reported photoelectric experiment results, those of Hughes and Richardson and Compton in 1912, were explorations into the wave versus particle nature of the effect. They had large uncertainties of about 10% for the values of h/e (Steiner, 2012). Pada tahun 1912 penggunaan metode efekfotolistrik juga memberikan ketidakpastian sebesar 10%. Sehingga dikembangkan beberapa metode dalam penentuan konstanta Planck yang menghasilkan ketidakpastian kecil diantaranya sebagai berikut (Steiner, 2012) 1) A direct link to h via quantum electronics 2) Superconducting magnetic levitation 3) The Joule balance 4) The watt balance 5) Deriving h in measurements using SI units 6) Defining kilogram mass in terms of h Hal-hal yang menyebabkan terjadinya ketidakpastian yang besar diantaranya yaitu set alat yang digunakan kurang dilengkapi ampermeter untuk melihat seberapa banyak elektron yang mengalir tiap detiknya. Selain itu tidak tidak dilakukan pengukuran terhadap nilai frekuensi tiap warna cahaya yang digunakan memberikan pengaruh yang besar juga. H. JAWABAN TUGAS Untuk jawaban tugas digunakan untuk menjawab tujuan yang sudah ada di analisis data dan pembahasan I. KESIMPULAN Berdasarkan eksperimen penentuan konstanta Planck dengan menggunakan prinsip efekfotolistrik dapat disimpulkan sebagai berikut a) Intensitas cahaya yang ditembakkan pada pelat katoda tidak mempengaruhi besar nya potensial penghentinya.
b) Semakin besar frekuensi cahaya yang ditembakkan pada pelat katoda maka potensial penghentinya juga semakin besar. c) Hubungan antara energy kinetik elektron yang terpancar dengan frekuensi cahaya yang menimpa katoda adalah K max h . d) Berdasarkan analisis yang telah dilakukan untuk penentuan besar konstanta Planck didapat hasil sebagai berikut 1) Konstanta Planck pada Orde I adalah h = 1,2 0.1 10 34 J/s dengan ralat relatif 10,96 % dan penyimpangan terhadap referensi sebesar 81,89% 2) Konstanta Planck pada Orde II adalah h = 0,82 0.12 10 34 J/s dengan ralat relatif 14,70 % dan penyimpangan konstanta Planck sebesar 87,82% e) Berdasarkan analisis yang telah dilakukan untuk penentuan fungsi kerja pelat katoda yang digunaka didapat hasil sebagai berikut 1) Fungsi kerja pada Orde I adalah 1,0 0.1 10 20 J dengan ralat 73,02 % 2) Fungsi kerja pada Orde II adalah 1,1 0.6 10 20 J dengan ralat 52,85 % J. DAFTAR PUSTAKA Purwanto, Agus. 2005. FISIKA KUANTUM. Yogyakarta: Gava Media Steiner, Richard. 2012. History and progress on accurate measurements of the Planck constant. Iop science : doi:10.1088/0034-4885/76/1/016101 Tim pengajar Eksperimen Fisika Modern. 2015. Petunjuk Eksperimen Fisika Modern. Malang: FMIPA UM.
