Konstanta Planck PRAKTIKUM FISIKA MODERN/ANNISA NURUL AINI/

Transkripsi

1 Konstanta Planck Annisa Nurul Aini, M. Afif Ismail & Alfian Putra S, Eddy Yahya Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 6 Indonesia annisa@tantowi.com Abstrak Telah dilakukan percobaan berjudul Konstanta Planck yang berprinsi pada efek fotolistrik. Percobaan ini bertujuan uuntuk menentukan nilai Konstanta Planck dan nilai fungsi kerja. Dari percobaan yang telah dilakukan, dapat ditarik kesimpulan bahwa nilai Konstanta Planck (h) sebesar 3,2-34 Js dan nilai fungsi kerja (W) adalah -,566 J. Keywords- Efek Fotolistrik, Fungsi Kerja, Radiasi Planck, Stopping Potential. I. PENDAHULUAN Dalam kehidupan sehari-hari, cahaya merupakan kebutuhan pokok setiap individu. Setiap rumah pasti memerlukan cahaya untuk memermudah penglihatan dan pekerjaan. Entah cahaya lampu atau cahaya lilin, keduanya sangat berguna bagi manusia. Tanpa kita sadari, cahaya memiliki sifat dualism atau dapat bertindak sebagai gelombang dan partikel. Sebagai partikel yang sangat berguna, ternyata cahaya terdiri dari foton yang memiliki energi. Gambar. Pengamatan Eksperimental Efek Fotolistrik. Seperti yang kita tahu, apabila suatu bahan semikonduktor dikenai cahaya, maka akan timbul efek fotolistrik. Efek fotolistrik ini dipengaruhi beberapa faktor. Faktor-faktor tersebut adalah Konstanta Planck dan Fungsi Kerja. Oleh karena itu, dilakukanlah percobaan ini agar dapat menentukan nilai Konstanta Planck dan Fungsi Kerja suatu material. Mendekati abad ke-2, berbagai rangkaian eksperimen menyatakan bahwa elektron dipancarkan dari permukaan logam jika cahaya yang frekuensinya cukup tinggi, jatuh pada permukaan logam tersebut. Tetapi, agar elektron tersebut dapat memancar, diperlukan cahaya ultraviolet untuk hampir semua jenis logam, kecuali logam Alkali. Gejala ini dikenal sebagai Efek Fotolistrik. Ilustrasi jenis alat yang digunakan pada eksperimen tersebut diilustrasikan pada gambar. di bawah ini []. Gambar di atas menggambarkan adanya tabung yang divakumkan yang berisi dua elektrode yang dihubungkan dengan rangkaian eksternal, dengan keping logam yang permukaannya mengalami radiasi digunakan sebagai anode. Sebagian dari elektrosfoto yang muncul dari permukaan yang mengalami viadiasi mempunyai energi yang cukup untuk mencapai katode walaupun muatannya negatif, dan elektron serupa tersebut membentuk arus yang dapat diukur ammeter dalam rangkaian itu. Ketika potensial perintang V ditambah, lebih sedikit elektron yang mencapai katode dan arusnya menurun. Akhirnya, ketika V sama dengan atau melebihi suatu harga Vo yang besarnya dalam orde beberapa volt, tidak ada elektron yang mencapai katode dan arusnya terhenti []. Tidak mengherankan jika efek fotolistrik ini terjadi. Mengingat bahwa gelombang cahaya membawa energi, dan sebagian energi yang diserap oleh logam dapat terkonsentrasi pada elektron tertentu dan muncul kembali sebagai energi kinetik. Jika diperiksa lebih teliti, akan didapatkan bahwa efek fotolistrik tidak dapat ditafsirkan sedemikian sederhana []. Salah satu sifat yang khususnya menimbulkan pertanyaan pengamat ialah distribusi energi elektron yang dipancarkan (fotoelektron), ternyata tidak bergantung pada intensitas cahaya. Berkas cahaya yang kuat menghasilkan fotoelektron lebih banyak daripada berkas yang lemah yang berfrekuensi sama, tetapi energi elektron rata-rata sama saja. Dan juga dalam batas ketelitian eksperimen ( -9 s), tak terdapat kelambatan waktu antara datangnya cahaya pada permukaan logam dan terpancarnya elektron. Pengamatan serupa itu tidak dapat dimengerti dengan memakai teori elektromagnetik cahaya []. Apabila ditinjau cahaya yang jatuh pada permukaan zat Natrium dalam peralatan seperti pada gambar., arus fotolistrik terdeteksi jika energi elektromagnetik -6 W/m 2 terserap oleh permukaan. Ada 9 atom pada selapis Natrium setebal atom yang luasnya m 2, sehingga jika kita anggap cahaya datang diserap ada lapisan teratas dari atom-atom Natrium, masing-masing atom menerima energi ratarata dengan laju -25 W. Pada laju ini,,6 6 s atau sekitar dua minggu diperlukan oleh sebuah atom untuk mengumpulkan sekitar ev energi yang biasa dimiliki fotoelektron, dan jika kita memasukkan beberapa elektronvolt yang dierlukan untuk menarik elektron keluar dari permukaan Natrium, waktu yang diperlukan menjadi sekitar dua bulan. Dalam waktu maksimum yang diperbolehkan -9 s, teori elektromagnetik menyatakan bahwa atom Natrium rata-rata hanya mengumpulkan -5 ev untuk diberikan pada satu elektronnya []. Sama anehnya bila dipandang dari teori gelombang, bahwa energi fotoelektron bergantung pada frekuensi cahaya yang dipakai. Pada frekuensi di bawah frekuensi kritis yang merupakan karakteristikdari masing-masing logam, tidak terdapat elektron apapun yang dipancarkan. Di atas frekuensi

2 ambang ini, fotoelektron memiliki selang energi dari nol sampai suatu harga maksimum tertentu, dan harga maksimum ini bertambah secara linier terhadap frekuensi. Frekuensi yang lebih tinggi menghasilkan energi fotoelektron yang lebih tinggi pula. Jadi, cahaya biru yang lemah menimbulkan elektron dengan energi yang lebih tinggi daripada yang ditimbulkan oleh cahaya merah yang kuat, walaupun cahaya merah menghasilkan jumlah yang lebih besar. Hubungan antara energi maksimum (Kmaks) dan frekuensi (ν) mengandung tetapan pembanding yang dapat ditetapkna dalam persamaan () Di mana vo menyatakan frekuensi ambang, di bawah frekuensi tersebut tidak terdapat pancaran foton, serta h menyatakan tetapan. Harga h akan selalu sama meskipun harga vo selalu berubah untuk logam berlainan yang disinari []. Satu hal dari sederetan ironi-ironi dari sejarah ilmu pengetahuan, adalah saat eksperimen terkenal milikheinrich Hertz pada 887 menghasilkan dan dapat mendeteksi gelombang elektromagnetik. Selain itu, Hertz mampu menkonfirmasi teori gelombang Maxwell, serta menemukan efek fotolistrik, yang secara langsung mampu mendasari bahwa partikel adalah komposisi dari cahaya. Penemuan yang tak terduga ini mengganggu Hertz karena bercampur aduk dengan percobaan utamanya. Tetapi Hertz lebih memilih untuk mendalami penemuannya ini hingga dipublikasikan setahun kemudian. Pada percobaannya tersebut, ditemukan partikel negatif yang mengalir dari permukaan logam yang bersih saat lampu disinarkan. P. Lenard pada 9, mendefleksikan partikel-partikel tersebut dalam medan magnet dan menemukan bahwa mereka memiliki perbandingan muatan terhadap massa dari titik yang sama yang telah diukur oleh Thomson. Dan partikel yang mengalir tersebut adalah elektron [2]. Seperti pada gambar., apabila sinar datang di atas permukaan logam yang bersih, maka elektronelektron akan mengalir. Apabila beberapa elektron tersebut mencapai anode B, maka jumlah elektron yang mencaai anode B tersebut dapat ditingkatkan dan diturunkan bergantung dari anode dan katode. Dengan V adalah beda potensial antara katoda dan anoda, saat V positif, elektron bergerak ke anoda. Saat V berada pada nilai yang besar, seluruh elektron mengalir ke anoda dan arus berada pada nilai maksimum. Lenard mengobservasi bahwa arus yang bernilai maksimum sebanding dengan intensitas cahaya. Ini adalah hasil yang sudah diduga sejak penggandaan energi per satuan waktu yang datang di atas katoda yang digandakan jumlahnya dari elektron yang mengalir. Intensitas cahaya terlalu lemah untuk menangung elektron-elektron dengan energi yang cukup kuat untuk melepaskan diri dari logam dan seharusnya jumlahnya tidak ada emisi untuk elektron. Saat V bernilai negatif, elektron dipindah dari anoda. Hanya elektron-elektron dengan energi kinetik awal sebesar yang lebih besar dari e V yang dapat mencapai anode. Potensial Vo disebut potensial penghenti, yang memiliki hubungan dengan energi kinetik seperti persamaan (2) di bawah ini. (2) Hasil dari eksperimen menunjukkan bahwa Vo tidak tergantung dari intensitas cahaya datang, cukup mengejutkan. Meningkatkan energi pada katode tidak meningkatkan energi kinetik pada elektron yang mengalir. Pada 95, Einstein menyatakan bahwa energi kinetik maksimum yag meninggalkan permukaan logam akan memenuhi persamaan (3) di bawah ini. (3) Di mana f adlah frekuensi, yang mana harus sebanding dengan. Hal ini menunjukkan potensial penghenti (Vo) bergantung pada frekuensi (f) [2]. Teori elektromagntik dapat menerangkan banyak sekali teori. Namun teori fotolistrik tidak dapat diterangkan dengan teori elektromagnetik ini. Hingga akhirnya Eistein angkat bicara dengan mengusung pengertian radikal oleh Max Planck. Ketika itu Planck mencoba menerangkan radiasi karakteristik yang dipancarkan oleh benda mampat. Dikenalinya pijaran dari sepotong logam yang menimbulkan cahaya tampak, tetapi panjang gelombang lain yang tak terlihat mata juga menimbulkan cahaya tampak. Sebuah benda tidak perlu sangat panas untuk bisa memancarkan gelombang elektromagnetik. Semua benda memancarkan energi seperti itu secara kontinu tidak peduli berapapun temperaturnya. Pada temperatur kamar sebagian besar radiasinya terdapat pada bagian inframerah pada spektrum, sehingga tidak terlihat. Planck dapat menurunkan rumus yang dapat menerangkan radiasi sektrum ini (yaitu kecerahan relatif dari berbagai panjang gelombang yang ada) sebagai fungsi dari temperatur dari benda yang meradiasikannya kalau ia menganggap bahwa radiasi yang dipancarkan terjadi secara tak malar (diskontinu), dipancarkan dalam caturan kecil, suatu anggapan yang sangat asing dalam teori elektromagnetik. Catuan ini disebut kuanta. Planck mendapatkan bahwa kuanta yang berpautan dengan frekuensi tertentu v dari cahaya semuanya harus berenergi sama dan bahwa energi ini, E berbanding lurus dengan v menjadi. (4) Persamaan di atas disebut persamaan energi kuantum dengan h adalah Tetapan Planck seharga 6, Js [3]. Ketika ia harus menganggap bahwa energi elektromagnetik yang dirasiasikan oleh benda timbul secara terputus-putus, Planck tidak pernah menyangsikan bahwa penjalarannya melalui ruang merupakan gelombang elektromagnetik yang malar. Einstein mengusulkan bukan saja cahaya dipancarkan menurut suatu kuantum pada suatu saat, tetapi juga menjalar menurut kuanta individual seperti yang tertulis ada persamaa () di mana Kmaks adalah energi fotoelektron maksimum, hv adalah isi energi dari masing-masing kuantum cahaya datang, dan hv o adalah energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan sebuah elektron dari permukaan logam yang disinari. Harus ada energi minimum yang diperlukan oleh elektron untuk melepaskan diri dari permukaan logam, jika tidak demikian, tentu elektron akan terlepas

3 walaupun tidak ada cahaya datang. Energi hv o merupakan karakteristik dari permukaan itu, dan disebut fungsi kerja. Sehingga, fungsi kerja dapat dirumuskan sebagai (5) Dengan persamaan frekuensi II. METODOLOGI A. Alat Peralatan yang digunakan pada percobaan ini adalah Planck s Constant Experiment Apparatus, power supply 22 V, dan filter warna merah, kuning, hijau, dan biru. Pada Planck s Constant Experiment Apparatus terdapat delapan buah tombol yang memiliki fungsi masing-masing. Tombol-tombol tersebut adalah zero Adj yang berfungsi sebagai pengkalibrasi alat. Gain ADJ yang berfungsi sebagai tombol yang memperkuat arus. Sensitivity untuk memberikan variasi sensitivitas, di mana semakin kecil sensitivitas, cahaya akan semakin mudah dideteksi dan lebih diteliti. Light ADJ untuk memberi variasi intensitas cahaya, di mana terdapat empat variasi intensitas. Ada pula INT/EXT yang berfungsi untuk membaca filter warna. Measure/calibration untuk mengukur atau mengkalibrasi. Tombol power untuk menghidupkan atau mematikan alat. Dan Anode Voltage ADJ yang berfungsi untuk mengenolkan arus dan mengukur besar tegangan. Power supply berfungsi sebagai sumber tegangan, dan filter warna berfungsi sebagai pemfilter sumber warna cahaya yang sesuai dengan filternya. B. Skema Kerja Peralatan-peralatan pada sub bab A di atas, terlebih dahulu harus dirangkai seperti pada gambar 2 di bawah ini sebelum digunakan. [3]. Langkah keenam yaitu light adjusting dial diputardan nilai arus dicatat. Langkah ketujuh yaitu nodic voltage adjusting diputar ke kanan hingga ampermeter menunjukkan angka nol dan tegangan dicatat. Dan langkah yang terakhir adalah percobaan diulang dari langkah pertama hingga ketujuh dengan menggunakan filter dan intensitas yang berbeda, dan hasilnya dicatat. Start Peralatan disiapkan. Peralatan dirangkai seperti gambar serta ampermeter dan voltmeter dalam posisi nol. Alat dihubungkan dengan power supply dan dinyalakan. Posisi meas dan inter diatur. Filter warna dimasukkan pada folter dan ditutup kembali. Light adjusting dial diputar dan nilai arus dicatat. Nodic voltage adjusting diputar dan nilai tegangan ditentukan. Diukur dengan filter dan intensitas berbeda Ya End Tidak Gambar 3. Flowchart Percobaan Planck. Gambar 2. Skema Alat Percobaan Planck. C. Langkah Kerja Langkah pertama yang harus dilakukan pada percobaan ini adalah semua alat dan bahan disiapkan. Langkah kedua yaitu peralatan dirangkai seperti pada gambar 2 di atas serta ampermeter dan voltmeter pada Planck s constant experiment apparatus dipastikan nol. Langkah ketiga yaitu, alat dihubungkan pada tegangan listrik AC 22 Volt, dan dinyalakan dengan memutar power switch pada on. Langkah keempat, measure/calibration diatur pada posisi measure serta inter/exter diatur pada posisi inter. Selanjutnya, filter warna dimasukkan pada folter dan ditutup kembali. Setelah dilakukan percobaan, dan didapatkan beberapa data berupa arus dan tegangan, selanjutnya dilakukanlah perhitungan untuk mendapatkan frekuensi, Kontanta Planck, dan fungsi kerja. Berikut persamaan-persamaan yang digunakan, dimulai dari persamaan untuk mencari nilai frekuensi pada persamaan (6). (6) (7) Di mana b adalah nilai yang sama dengan fungsi kerja (w) dan a akan digunakan untuk menentukan nilai Kontanta Planck menggunakan persamaan (8) di bawah ini.

4 V (Volt) V (Volt) V(Volt) V (Vot) PRAKTIKUM FISIKA MODERN/ANNISA NURUL AINI/4-94 (8) Dengan e adalah muatan elektron yang memiliki nilai,6-9 ev. III. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN A. Analisa Data Setelah percobaan selesai dilakukan, akan didapatkan beberapa data berupa arus dan tegangan berdasarkan intensitas pada masing-masing filter warna yang digunakan. Berikut data-data tersebut disajikan pada tabel di bawah ini. Tabel. Data Hasil Percobaan Planck. Warna Intensitas I (μa) V (V) λ (nm) B. Grafik Setelah didapatkan data-data berupa arus dan tegangan seperti pada tabel di atas, dibuatlah grafik antara tegangan dengan frekuensi. Untuk mendapatkan frekuensi, dihitungan menggunakan persamaan (6) dengan panjang gelombang (λ) ditentukan menurut sumber yang terpercaya. Berikut grafik-grafik yang didapatkan menurut intensitas Intensitas y = 2E-5x -.7 R² =.8684 Grafik. Grafik antara Tegangan dan Frekuensi pada Intensitas Intensitas 2 y = 2E-5x -.75 R² =.5953 Grafik 2. Grafik antara Tegangan dan Frekuensi pada Intensitas Grafik 3. Grafik antara Tegangan dan Frekuensi pada Intensitas Grafik 4. Grafik antara Tegangan dan Frekuensi pada Intensitas 4. C. Perhitungan Setelah data dan grafik didapatkan, dilakukanlah perhitungan untuk mendapatkan nilai Konstanta Planck (h) dan nilai fungsi kerja (W). Berikut masing-masing contoh perhitungan untuk mencari besar Konstanta Planck, fungsi kerja, serta error pada nilai Kontanta Planck menggunakan intensitas. y = ax+b = 2-5 x-,7 W = b = -,7 J h = a e = 2-5,6-9 = 3,2-34 Js Intensitas 3 y = 2E-5x R² =.79 Intensitas 4 y = 2E-5x R² =.4563

5 Error = = = 5,5% Berikut hasil perhitungan disajikan dalam tabel 2 di bawah ini. Tabel 2. Hasil Perhitungan Data Percobaan Planck. Intensitas Warna h (Js) W (J) Error (%) E E E E Rata-rata 3.2E D. Pembahasan Telah dilakukan percobaan Konstanta Planck yang berprinsi pada efek fotolistrik. Percobaan ini bertujuan uuntuk menentukan nilai Konstanta Planck dan nilai fungsi kerja. Percobaan ini memerlukan beberapa peralatan seperti Planck s Constant Experiment Apparatus, power supply 22 V, dan filter warna merah, kuning, hijau, dan biru. Pada Planck s Constant Experiment Apparatus terdapat delapan buah tombol yang memiliki fungsi masing-masing. Tombol-tombol tersebut adalah zero Adj yang berfungsi sebagai pengkalibrasi alat. Gain ADJ yang berfungsi sebagai tombol yang memperkuat arus. Sensitivity untuk memberikan variasi sensitivitas, di mana semakin kecil sensitivitas, cahaya akan semakin mudah dideteksi dan lebih diteliti. Light ADJ untuk memberi variasi intensitas cahaya, di mana terdapat empat variasi intensitas. Ada pula INT/EXT yang berfungsi untuk membaca filter warna. Measure/calibration untuk mengukur atau mengkalibrasi. Tombol power untuk menghidupkan atau mematikan alat. Dan Anode Voltage ADJ yang berfungsi untuk mengenolkan arus dan mengukur besar tegangan. Power supply berfungsi sebagai sumber tegangan, dan filter warna berfungsi sebagai pemfilter sumber warna cahaya yang sesuai dengan filternya. Langkah pertama yang harus dilakukan pada percobaan ini adalah semua alat dan bahan disiapkan. Langkah kedua yaitu peralatan dirangkai seperti pada gambar 2 di atas serta ampermeter dan voltmeter pada Planck s constant experiment apparatus dipastikan nol. Langkah ketiga yaitu, alat dihubungkan pada tegangan listrik AC 22 Volt, dan dinyalakan dengan memutar power switch pada on. Langkah keempat, measure/calibration diatur pada posisi measure serta inter/exter diatur pada posisi inter. Selanjutnya, filter warna dimasukkan pada folter dan ditutup kembali. Langkah keenam yaitu light adjusting dial diputardan nilai arus dicatat. Langkah ketujuh yaitu nodic voltage adjusting diputar ke kanan hingga ampermeter menunjukkan angka nol dan tegangan dicatat. Dan langkah yang terakhir adalah percobaan diulang dari langkah pertama hingga ketujuh dengan menggunakan filter dan intensitas yang berbeda, dan hasilnya dicatat. Setelah percobaan selesai dilakukan, didapatlah data-data berupa arus dan tegangan, di mana nilai arus dan tegangan ini bergantung dari panjang gelombang pada tiap-tiap filter warna. Mulai dari merah, kuning, hijau, dan biru, memiliki panjang gelombang yang semakin kecil. Dan semakin kecil panjang gelombang, tegangan dan arus akan semakin besar. Selanjutnya, setelah didapatkan data berupa arus dan tegangan, data dihitung menggunakan persamaan (6), (7), dan (8) untuk mencari nilai frekuensi, Konstanta Planck, dan fungsi kerja. Untuk persamaan (6), di mana persamaan tersebut adalah persamaan untuk mencari nilai frekuensi, frekuensi dicari nilainya dan dikelompokkan berdasarkan intensitas, kemudian frekuensi tersebut digunakan untuk mencari bentuk grafik, sehingga didapatlah grafik, 2, 3, dan 4. Dari keempat grafik tersebut, memiliki pola yang sama, yaitu grafik akan membentuk linier naik saat warna kuning, hijau, dan biru. Saat warna merah mengarah ke ketiga warna tersebut, grafik berbentuk linier turun atau linier negatif. Hal ini menunjukkan bahwa, semakin kecil panjang gelombang, frekuensi semakin tinggi, kecuali warna merah yang ada percobaan ini mengalami anomali. Dari empat grafik yang didapat, masing-masing memiliki nilai y seperti pada persamaan (7), di mana pada persamaan y tersebut mengandung a dan b. Dari keemat grafik, memiliki nilai a yang sama, yakni 2 5 dan nilai b yang semakin besar nilai intensitas, nilai b semakin besar pula. Nilai b menunjukkan nilai fungsi kerja, sehingga nilai fungsi kerja semakin besar apabila intensitas cahaya semakin besar pula. Sedangkan nilai a adalah komponen yang akan digunakan untuk mencari nilai Konstanta Planck (h) yang akan dipoerasikan dengan nilai besar elektron,6-9 ev. Karena nilai a sama dan nilai e sama, maka nilai h yang didapatpun juga sama dari keempat intensitas. Hal ini menyimpulkan bahwa besar Konstanta Planck tidak bergantung pada jumlah intensitas cahaya dan nilainya tetap pada intensitas, 2, 3, maupun 4 sebesar 3,2-34 Js. Nilai Konstanta Planck yang diketahui ini memiliki error sebesar 5,62% jika dibanding dengan nilai Konstanta Planck yang telah ditentukan secara teori, yaitu 6,6-34 Js. Hal ini dikarenakan kekurangtelitian dalam pembacaan alat atau terjadinya paralaks.

6 IV. KESIMPULAN Setelah dilakukan percobaan Planck, dapat ditarik kesimpulan bahwa nilai Konstanta Planck (h) sebesar 3,2-34 Js dan nilai fungsi kerja (W) adalah -,566 J. UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kepada M. Afif Ismail & Alfian Putra S selaku asisten laboratorium yang bersedia membagi ilmunya kepada kelompok kami. Terima kasih pula kepada Bapak Eddy Yahya selaku dosen pembimbing yang telah membimbing kami untuk mempelajari Fisika Modern lebih dalam lagi. Dan terima kasih untuk teman-teman satu kelompok, Kurnia, Andi, Rifki, Nusur, Fachrina, dan Firman yang bersedia membantu dalam menyelesaikan laporan. DAFTAR PUSTAKA [] Beiser, Arthur. Konsep Fisika Modern. Erlangga. Jakarta(982) [2] Tipler, Paul & Llewellyn, Ralph. Modern hysics 5th Edition. W. H. Freeman and Company. New York(28) [3]Halliday, David & Resnick. Fisika Dasar II. Erlangga. Jakarta(2)