Laporan Efek Fotolistrik


Annur Fidyah Wanti, Asrul Maiwa,Armanto Zet Tandisoma, Harmika Lukman, Hartina Wahid
Laboratorium Fisika Modern
Universitas Negeri Makassar
Tahun 2015 


Abstrak, Telah dilakukan percobaan tentang “Efek Fotolistrik” yang bertujuan untuk mengamati perilaku cahaya sebagai partikel menurut teori kuantum dan menentukankonstanta Planck. Percobaan ini menggunakan perangkat pengukuran konstanta plank PC-101 dan 5 buah filter warna yaitu merah, jingga, kuning, hijau, dan biru. Percobaan efek fotolistrik ini dilakukan dengan dua kegiatan, yaitukegiatan pertama mencari hubungan antara potensial penghenti dengan potensial penghalang dan kegiatan kedua hubungan antara potensial penghenti dengan frekuensi. Berdasarkan hasil percobaanmaka diperoleh bahwa tidak ada pengaruh intensitas cahaya terhadap perubahan arus dari suatu permukaan logam dan berdasarkan analisis grafik diperoleh bahwa semakin besar frekuensinya maka semakin besar pula potensial hentinya atau potensial penghenti berbanding lurus demgan frekuensi. Berdasarkan hasil tersebut maka 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. Selain itu, diperoleh nilai konstanta Planck sebesar 6, 36 x Js. Dan pada tabel pengamatan diperoleh bahwa filter warna biru memiliki potensial henti yang paling besar karena filter ini memiliki panjang gelombang yang paling kecil. Hal ini menunjukkan bahwa semakin besar panjang gelombang makapotensial hentinya juga akan semakin kecil. 

PENDAHULUAN
Efek fotolistrik merupakan gejala fisika yang pertama kali ditemukan oleh Hertz pada tahun 1887 ketika mendemonstrasikan keberadaan gelombang elektromagnetik. Pada alat eksperimennya yang terdiri atas sebuah antena pemancar gelombang (transmitter) dan penerima gelombang (receiver), Hertz mengamati bahwa percikan bunga api yang timbul pada receiver akan lebih mudah terjadi jika elektrode tempat terjadinya percikan bunga api itu disinari dengan cahaya yang berasal dari percikan bunga api pada bagian pemancar. Setahun kemudian, Hallwachs mengamati bahwa sebuah pelat seng, yang bersifat lebih negatif dibandingkan lingkungannya, akan mengalami pelepasan elektron jika disinari dengan cahaya ultraviolet. Setelah penemuan sinar katode yang diidentifikasi sebagai aliran muatan-muatan negatif, barulah diketahui bahwa pemancaran elektronlah yang menjadi alasan terjadinya proses ini [1].

Pada tahun 1888 Hallwachs melaporkan pengamatannya bahwa suatu keeping Zn yang netral akan bermuatan positif setelah disinari cahaya dengan ultraviolet. Cahaya ultraviolet yang mengenai permukaan logam mendesak keluar muatan listrik negative dari permukaan keeping logam. Gejala itu disebabkan oleh suatu efek dari cahaya yang disebut Efek Fotolistrik [2].

Analisis semi-kuantitatif gejala efek fotolistrik pertama kali dilakukan oleh Philips Lenard pada tahun 1902. Dalam eksperimennya, Lenard menggunakan sebuah tabung kaca yang divakumkan yang di dalamnya terdapat dua buah elektrode. Satu dari elektrode ini disebut katode cahaya (photocathode) yang terbuat dari bahan aluminium. Katode ini disinari dengan cahaya. Elektrode lainnya, disebut anode, diberi potensial listrik U yang lebih negatif terhadap katode. Jika elektron yang bermuatan negatif e dapat melewati beda potensial antara kedua elektrode ini, maka akan terdeteksi arus pada rangkaian luar tabung. Dari eksperimen ini, Lenard mengamati bahwa terdapat sebuah lonjakan arus jika nilai mutlak potensial jauh di bawah sebuah nilai ambang. Nilai ambang ini bergantung pada sumber cahaya yang dia gunakan[1]. 

Ketika itu, teori fisika tidak dapat menjelaskan hasil pengamatan Lenard dan dalam kebuntuan inilah, datang seorang pegawai kantor Paten di Swiss dengan jabatan ahli teknik kelas tiga, Albert Einstein[1].

Einstein dengan menggunakan gagasan kuanta Planck memberikan penjelasan teoritis terhadap hasil pengamatan gejala fotolistrik. Dalam bagian akhir makalahnya berjudul yang berjudul On a heuristic point of view concerning the production and conversion of light yang terbit pada tahun 1905, Einstein menunjukkan bahwa secara tak langsung telah terdapat bukti eksperimen akan keberadaan kuanta cahaya. Dengan konsep kuanta cahaya ini, Einstein menjelaskan data eksperimen efek fotolistrik dengan baik. Dalam upaya penjelasan itu, Einstein merumuskan persamaan yang menghubungkan antara potensial ambang Uo dengan frekuensi cahaya monokromatik v yang digunakan dalam menyinari katode, yaitu –eUo = hv – W. Terhadap persamaan ini, Einstein menulis, “Jika hasil penurunan persamaan ini benar, maka Uo yang plot grafiknya dibuat dalam koordinat Cartesian sebagai fungsi dari frekuensi cahaya yang terpancar, akan diperoleh sebuah garis linear, kemiringan garis ini tidaklah dipengaruhi oleh jenis bahan katode yang kita gunakan dalam percobaan[1].”

Sebelas tahun kemudian, pada tahun 1916, Millikan memublikasikan hasil eksperimen yang sangat cocok dengan persamaan Einstein. Millikan, seperti halnya fisikawan lain pada saat itu, menerima persamaan yang telah diturunkan Einstein, tetapi menolak hipotesis kuanta cahaya. Dalam kalimat pembuka makalahnya, Millikan mengatakan, “Persamaan fotolistrik Einstein,... dalam pandangan saya tidak dapat dipandang sekarang ini sebagai akhir dari pencaharian sejumlah landasan teoritis yang memuaskan[1].”

Atas penjelasan terhadap fenomena efek fotolistrik ini, pada tahun 1921, Albert Einstein dianugerahi nobel fisika oleh The Royal Academy of Sciences Swedia[1].

Eksperimen ini dilakukan untuk mengamati perilaku cahaya sebagai partikel menurut teori kuantum dan menentukan besarnya konstanta planck, melalui dua kegiatan. Kegiatan pertama dilakukan dengan mengamati pengaruh intensitas cahaya yang diberikan terhadap perubahan arus yang terbaca pada perangkat percobaan efek fotolistrik yang diguanakan, untuk kegiatan kedua dilakukan dengan mengamati pengaruh frekuensi terhadap potensial penghenti.

Selanjutnya penentuan nilai konstanta Planck dapat dilakukan dengan menggunakan teori Planck. Pada dasarnya ponstulat yang dikemukan oleh Einstein yaitu cahaya terdiri atas paket-paket energi atau foton yang bergerak dengan kecepatan cahaya, apabila frekuensi cahaya adalah v maka energi foton adalah E = hv, dalam proses fotolistrik satu foton diserap sepenuhnya oleh elektron pada permukaan logam. Dari ponstulat einstein ini dapat menjadi referensi untuk mengukur konstanta Planck


TEORI
Teori efek fotolistrik yang benar dikemukakan oleh Einstein pada tahun 1905. Teorinya ini didasarkan pada gagasan Planck tentang kuantum energi. Einstein menganggap bahwa kuantum energi bukanlah sifat istimewa dari atom-atom rongga radiator, tetapi merupakan sifat radiasi itu sendiri. Energi radiasi elektromagnetik bukannya diserap dalam bentuk aliran kontinyu gelombang, melainkan dalam buntelan diskrit kecil atau kuanta, yang disebut foton. Energi electromagnet yang diserap atau dipancarkan, dan sejalan dengan usulan Planck, tiap-tiap foton dari radiasi berfrekuensi memiliki energi.

dimana h adalah konstanta Planck [3].

Seberkas cahaya dengan frekuensi f, terdiri dari banyak foton, dan setiap foton energinya hf. Sebuah foton hanya dapat berinteraksi dengan sebuah elektron dalam permukaan logam. Energinya tidak dapat diberikan kepada elektron yang lain disekitarnya. Oleh karena foton menjalar dengan kecepatan cahaya maka energy diamnya sama dengan nol, sehingga semua energinya merupakan energi kinetik [4]. 

Pada eksperimen efek fotolistrik, berkas cahaya ditembakkan ke permukaan logam yang diletakkan di dalam suatu tabung vakum sehingga elektron terpencar keluar dari permukaan.

Di dalam emisi fotolistrik, cahaya yang menumbuk sebuah benda menyebabkan elektron terlepas. Model gelombang klasik meramalkan bahwa ketika intensitas cahaya dinaikkan, amplitudo dan energi cahaya juga bertambah. Hal ini akan menyebabkan semakin banyak fotoelektron energitik yang dipancarkan. Akan tetapi, menurut teori kuantum, kenaikan frekuensi cahaya akan menghasilkan fotoelektron dengan energi yang membesar, tidak bergantung pada intensitas. Bila intensitas cahaya bertambah, jumlah elektron yang dipancarkan juga bertambah [1].

Dengan menggunakan teori Planck, Einstein menemukan gejala efek fotolistrik dengan persamaan:

dengan= energi kinetik maksimum (eV), dan = fungsi kerja logam (eV). Persamaan (1) memungkinkan pengukuran konstanta Planck dengan analisis sebagai berikut. Cahaya dengan energi menabrak elektron katode di dalam tabung hampa. Elektron memanfaatkan energi minimum untuk melepaskan diri dari katoda, beberapa elektron keluar dengan energi maksimum . 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 antar energi kinetik dan potensial penghenti diberikan oleh:

Dengan mensubstitusi persamaan (3) ke dalam persamaan (2) diperoleh persamaan Einstein,
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 [1].

METODE EKSPERIMEN
Pada percobaan efek fotolistrik ini, alat dan bahan yang digunakan adalah perangkat pengukuran konstanta planck PC-101 dan 5 buah filter. Percobaan ini dilakukan dengan dua kegiatan, yaitu kegiatan pertama mencari hubungan antara potensial penghenti dengan potensial penghalang yang dilakukan dengan cara pertama-tama mengatur posisi sumber cahaya dari sensor (35 cm) lalu mengatur posisi pengali arus atau current multiplier pada x0.01 kemudian meletakkan filter biru pada jendela tabung. Setelah itu, mengatur intensitas cahaya sampai terbaca arus pada layar, misalnya 3,0 mikroampere dan mengukur potensial penghenti pada posisi tersebut. Setelah mendapatkan potensial penghenti maka, mengatur potensial penghalang yang lebih kecil dari potensial penghenti (V < Vs). Selanjutnya, menaikkan intensitasnya dan mengamati perubahan arusnya lalu mengatur potensial penghalang sama dengan potensial penghenti (V = Vs) dan menaikkan kembali intensitasnya dan mengamati perubahan arusnya. Setelah itu, mengatur kembali potensial penghalang lebih besar potensial penghenti (V > Vs), kemudian menaikkan intensitasnya dan mengamati perubahan arusnya.

Pada kegiatan kedua yaituhubungan antara potensial penghenti dengan frekuensi dilakukan dengan cara pertama-tama mengganti filter biru dengan filter merah (menggunakan tisu untuk mengganti filter). Setelah itu, memasang potensial penghalang pada nilai nol dan mengatur intensitas cahaya sampai terbaca arus pada layar lalu mengukur potensial penghenti pada posisi tersebut. Selanjutnya, melanjutkan pengukuran dengan menggunakan filter yang lain.


HASIL PERCOBAAN DAN ANALISIS DATA

Analisis Grafik
Hubungan antara Potensial penghenti (Vo) dengan frekuensi (f)

Berdasarkan grafik hubungan antara potensial penghenti (Vo) dengan frekuensi (f) diperoleh persamaan garis linier.
y = mx + c
y = 0.3975x – 1.503
Vs = 0.3975 V – 1.503
Dimana,
eVs = hv – Wo
Vs = 
Menentukan Konstanta Planck
mx =
m = 
h = me
h = 
h = 6, 36 x Js
% diff = 
% diff = 4.16 %
Menentukan Fungsi kerja logam




PEMBAHASAN
Efek fotolistrik merupakan suatu peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan logam akibat penyinaran oleh seberkas cahaya, dimana peristiwa ini dapat terjadi hanya ketika energy cahaya (foton) lebih besar disbanding dengan fugsi kerja dari logam. Pada eksperimen ini digunakan beberapa filter warna dan dilakukan dua kegiatan yaitu kegiatan pertama dilakukan pengamatan pengaruh intensitas cahaya terhadap kuat arus listrik dimana terdapat tiga keadaan yang berbeda, yaitu ketika potensial penghalang dibuat lebih kecil dari potensial penghenti (V<Vs), potensial penghalang sama besar potensial penghenti (V=VS), dan potensial penghalang lebih besar dari potensial penghenti (V>VS). Berdasarkan hasil pengamatan terhadap ketiga keadaan tersebut, terdeteksi arus pada katoda ketika potensial penghalang dibuat lebih kecil dari potensial penghenti (V<Vs) walaupun jumlahnya sangat kecil. Jika potensial penghalang lebih besar (V>VS) dan sama dengan potensial penghenti (V=VS), tidak terdeteksi arus. Hal tersebut menunjukkan bahwa energi kinetik dan arus fotoelektron tidak berpengaruh pada intensitas cahaya. Intensitas cahaya hanya menambah jumlah foton yang terpancar tidak menambah jumlah energi yang dibawa oleh foton.


Pada kegiatan pertama juga menunjukkan bahwa intensitas cahaya tidak mempengaruhi besar energi kinetik fotoelektron. Hal ini juga sesuai dengan persamaan hv = Ek+Wo, dimana Ek = eVS, dimana Vs merupakan potensial penghenti yang dipengaruhi oleh besar frekuensi dan panjang gelombang. Besarnya frekuensi berbanding lurus terhadap potensial penghenti. Hal tersebut terlihat dari data pada tabel pengamatan. Jadi, dapat disimpulkan bahwa intensitas tidak mempengaruhi energi kinetik namun yang mempengaruhinya yaitu besarnya frekuensi.


Berdasarkan teori fisika kuantum yang mengatakan bahwa intensitas cahaya tidak mempengaruhi perubahan arus dari suatu permukaan logam atau zat. Hal ini sesuai dengan hasil eksperimen yang telah kami lakukan pada kegiatan pertama yaitu mengamati pengaruh intensitas cahaya terhadap perubahan arus. Dalam fisika klasik tidak ada elektron yang lepas karena fisika klasik tidak memperhitungkan energi minimum yang dimiliki plat hingga energi yang diberikan pada logam tidak pernah cukup untuk melepaskan elektron karena cahaya dipandang sebagai gelombang yang menyebar, menipis dan menghilang hingga dibutuhkan waktu yang lama sekali untuk membuat elektron lepas dari plat logam dan tidak akan ada arus yang mengalir untuk jangka waktu yang lama.


Untuk kegiatan kedua, dilakukan pengamatan terhadap pengaruh potensial penghenti terhadap frekuensi. Pada kegiatan ini frekuensi diperoleh dengan menggunakan persamaan:






Dimana c adalah kecepatan cahaya dan λ adalah panjang gelombang dari setiap filter warna. Pada tabel pengamatan diperoleh bahwa filter warna biru memiliki potensial henti terbesar yaitu sebesar 1,07 Volt dan filter merah sebesar 0,39 Volt. Hal ini terjadi karena filter biru ini memiliki panjang gelombang terkecil dan filter merah memiliki panjang gelombang terbesar. Jadi semakin besar panjang gelombang maka semakin kecil potensial henti. Berdasarkan hasil analisis grafik dari data yang diperoleh pada kegiatan kedua, didapatkan nilai konstanta Planck sebesar 6,36 x Js. Nilai ini mendekati nilai konstanta Planck secara teori, yaitu dengan %diff sebesar 4.16% dan nilai fungsi kerja logam diperoleh J. 


KESIMPULAN
Berdasarkan hasil pengamatan yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa :

1. Berdasarkan fisika kuantum intensitas cahanya tidak mempengaruhi terlepasnya elektron dari permukaan logam. Namun yang berpengaruh yaitu besar frekuensi cahaya.

2. Penentuan kontsanta planck dilakukan dengan menggunakan gradient garis pada grafik yang telah diperoleh sehingga diperoleh konstanta planck sebesar 6,36 x Js


DAFTAR PUSTAKA



Postingan terkait:

Belum ada tanggapan untuk "Laporan Efek Fotolistrik"

Post a Comment