Eksperimen Peristiwa Efek Fotolistrik pada Logam yang Disinari Cahaya Novi Tri Nugraheni 1, Khoirotun Nisa 2, Muhimatul Fadlilah Arfianda 1, Puspita Ningtiyas 2, Ratna Yulia Sari 3 Laboratorium Fisika Modern, Departemen Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Surabaya Abstrak, Abstrak, Dalam percobaan efek fotolistrik, berkas cahaya ditembakkan ke permukaan logam yang diletakkan di dalam suatu tabung vakum sehingga elektron terpencar keluar dari permukaan tersebut. Percobaan efek fotolistrik bertujuan menentukan ketetapan planck (h = 6,62618 x 10-34 ), energy kinetic maksimum fotoelektron, dan menentukan fungsi kerja fotosel. Energi kinetic electron dapat diketahui dari potensial penghenti V o melalui hubungan ev o = hf - hf o. Dengan hubungan energi planck dapat diperoleh nilai tetapan planck h (E h ). Sehingga dapat diketahui bahwa nilai energi kinetik merupakan selisih total energi cahaya dan energi ambang batas. Einstein mempostulatkan bahwa energy yang dibawa oleh cahaya terdistribusi secara kontinu sebagaimana dinyatakan oleh teori gelombang. Persamaan fotolistrik Einstein menunjukkan bahwa pengukuran h sesuai dengan nilai yang ditemukan oleh Planck. Hasil eksperimen yang telah dilakukan menunjukkan bahwa kontanta Planck yang telah penulis analisis adalah relatif sama. Dari eksperimen ini didapatkan hasil berupa konstanta planck kemudian membandingkanya dengan kontanta planck literatur,serta juga di dapatkan fungsi kerja dari suatu logam yang digunakan saat eksperimen.. Hasil eksperimen mencari konstanta planck dari eksperimen ini yang paling mendekati literatur adalah ) J.s. Kata Kunci : Efek Fotolistrik,Potensial henti,fungsi kerja, konstanta Planck 1. Pendahuluan Penemuan efek fotolistrik merupakan salah satu tonggak sejarah kelahiran fisika kuantum. Untuk merumuskan teori yang cocok dengan eksperimen, sekali lagi orang dihadapkan pada situasi dimana faham klasik yang selama puluhan tahun telah diyakini sebaga faham yang benar, harus dirombak. Faham yang dimaksud adalah konsepsi bahwa cahaya sebagai gelombang. Efek fotolistrik merupakan gejala fisika yang pertama kali ditemukan oleh Hertz pada tahun 1887 ketika mendemonstrasikan keberadaan gelombang elektromagnetik. Kemudian, Lenard menggunakan sebuah tabung kaca yang divakumkan yang di dalamnya terdapat dua buah elektrode. Ketika itu, teori fisika tidak dapat menjelaskan hasil pengamatan Lenard. Setelahnya, Einstein dengan menggunakan gagasan kuanta Planck memberikan penjelasan teoritis terhadap hasil pengamatan gejala fotolistrik. Einstein merumuskan persamaan yang menghubungkan antara potensial ambang dengan frekuensi cahaya monokromatik yang digunakan dalam menyinari katode, yaitu. Pada percobaan ini, kita akan mengamati perilaku cahaya sebagai partikel menurut teori kuantum dan merombak pernyataan cahaya sebagai gelombang oleh teori klasik. Selain itu, pada percobaan ini akan di analisis untuk menentukan konstanta Planck. Dengan adanya eksperimen ini, kita dapat mengetahui bagaimana hubungan intensitas cahaya terhadap arus fotoelektrik. Selain itu, kita akan menyelidiki bagaimana penjelasan teori klasik dan teori kuantum mengenai cahaya. 2. Landasan Teori Suatu berkas cahaya yang didatangkan pada permukaan logam alkali (Li, Na, K, Cs) akan menyebabkan terjadinya efek fotolistrik. Secara skematik rangkaian eksperimen efek fotolistrik terdiri atas dua plat logam (elektroda), yang ditempatkan dalam vakum dan terpisah pada jarak tertentu, dan dihubungkan dengan amperemeter dan potensiometer (yang dilengkapi dengan voltmeter) dalam suatu rangkaian seri. 1
Efek foto listrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan suatu zat (logam), bila permukaan logam tersebut disinari cahaya (foton) yang memiliki energi lebih besar dari energi ambang (fungsi kerja) logam dan menyerap, radiasi elektromagnetik (seperti cahaya tampak dan radiasi ultraungu) tergantung pada jenis permukaan. Gambar 2.1 Efek fotolistrik Ketika pertama kali peristiwa ini ditemukan oleh Hertz pada tahun 1887, interaksi antara berkas cahaya dan elektron-elektron logam menunjukkan beberapa sifat yang belum pernah dikenal sebelumnya, yaitu: 1. Efek fotolistrik hanya terjadi pada frekuensi cahaya yang lebih besar daripada harga minimum tertentu (frekuensi ambang) yang bergantung pada jenis logam yang disinari. 2. Terjadinya efek fotolistrik hampir bersamaan dengan saat datangnya sinar pada plat logam. 3. Energi kinetik maksimum elektron fotolistrik pada logam tertentu hanya bergantung pada frekuensi berkas cahaya yang datang, tidak bergantung pada intensitas cahaya yang datang. 4. Besar arus fotolistrik sebanding dengan intensitas cahaya yang datang. Sifat-sifat di atas hanya dapat dijelaskan jika cahaya yang datang pada permukaan logam diperlakukan sebagai paket-paket energi yang disebut foton (Einstein, 1905). Dengan mengadopsi teori radiasi benda hitam (Planck, 1901) Einstein menyatakan bahwa besar energi masing-masing foton tersebut hanya ditentukan oleh frekuensi ( f ) foton, yait dengan f = frekuensi gelombang elektromagnetik h=tetapan planck dengan h suatu konstanta yang besarnya 6,626 10-34 J.s dan selanjutnya dikenal sebagai konstanta Planck. Efek fotolistrik hanya dapat terjadi jika energi foton datang lebih besar daripada ratarata energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam. Energi ini dikenal sebagai fungsi kerja yang besarnya bergantung pada jenis logam dan sering disimbolkan( wo) Besaran inilah yang menentukan frekuensi minimum atau frekuensi ambang (fo) yang dapat menghasilkan efek fotolistrik pada suatu permukaan logam Dalam interaksi antara foton datang dan elektron logam yang menghasilkan efek fotolistrik, energi seluruh foton diserap oleh elektron. Jika energi foton lebih besar daripada fungsi kerja logam maka selisih antara energi foton dan fungsi kerja akan terbawa oleh elektron sebagai energi kinetik (Ek ) sehingga elektron-elektron tersebut dapat melintasi ruang vakum antara kedua plat logam dan menghasilkan arus fotolistrik dalam rangkaian. 2
Besar muatan elektron fotolistrik dapat ditentukan dengan memberikan potensial perintang atau stopping potential, dalam rangkaian untuk menghentikan arus fotolistrik. ( ) Gejala foto listrik adalah munculnya arus listrik atau lepasnya elektron yang bermuatan negatif dari permukaan sebuah logam akibat permukaan logam tersebut disinari dengan berkas cahaya yang mempunyai panjang gelombang atau frekuensi tertentu. Dari gambar 1, sinar yang dipancarkan pada katoda dapat menyebabkan elektron keluar dan meninggalkan katoda. Karena katoda dihubungkan dengan kutub positif dan anoda dengan kutub negatif, maka potensial anoda lebih rendah daripada potensial katoda sehingga elektron akan tertarik ke anoda. Aliran elektron ini merupakan arus listrik. Jika potensial cukup besar, dapat menyebabkan elektron tak dapat sampai ke anoda. Beda potensial yang tepat akan menahan pancaran elektron yang disebut potensial penyetop (Vo). Pada keadaan ini, berarti energi kinetik maksimum elektron yang dipancarkansama dengan beda potensial listrik elektron antara anoda dan katoda. 3. Alat dan Bahan Pada percobaan ini akan digunakan beberapa macam peralatan yaitu sebagai berikut ini : 1) Sel foto, Lampu sumber cahaya dan Sumber dayanya serta diafragma dan multimeter dan galvanometer yang terangkum didalam peralatan Planck Constant Measuring, Ogawa Seiki Ltd. Jepang. 2) Filter Cahaya yang telah diketahui beberapa nilai panjang gelombangnya 3) Filter Cahaya dari Plastik mika dengan warna yang berbeda yaitu Biru, Hijau dan Kuning 3
4. Prosedur Percobaan Pada percobaan kali ini, dapat ditentukan tetapan planck dari hasil eksperimen dan kemudian menentukan nilai teapan planck dan tenaga kinetik maksimum dari efek fotolistrik atau gejala fotoelektron. Untuk memenuhi tujuan dari percobaan tersebut maka dapat digunakan prosedur percobaan sebagai berikut : 1) Siapkan semua peralatan yang digunakan untuk mencapai tujuan daripada eksperimen ini, dimana menyiapkan peralatan Planck Constant Measuring dan melihat fungsi dari masing masing tombol hingga percobaan dapat berjalan dengan lancar. 2) Kemudian, ambil salah satu filter yang telah diketahui nilai panjang gelombangnya dan pasang pada bagian dudukan filter yang ada didalam peralatan. 3) Nyalakan lampu yang berada didalam peralatan tersebut sehingga terbaca arus listrik pada ampermeter dan nilai tegangan pada voltmeter dalam alat tersebut. 4) Turunkan nilai tegangan yang dengan cara memutar potensiometer hingga menunjukan arus nol. Nilai tegangan yang terbaca adalah nilai tegangan henti atau V s dan ulangi untuk beberapa filter cahaya yang lain Untuk filter yang telah diketahui nilai panjang gelombangnya, digunakan untuk menentukan tetapan planck secara eksperimen dan untuk yang mika digunakan untuk menentukan panjang gelombang ambang daripada logam dan work functionnya. 6. Data Hasil Eksperimen Dari percobaan yang dilakukan, dapat diperoleh tabel pengamatan sebagai berikut : f = Intensitas Vs(volt) I 0,3 5769,59 5,1997 5460,74 5,4938 4347,50 6,9005 II 0,4 III 0,5 IV 0,6 I 0,5 II 0,6 III 0,7 IV 0,7 I 0,7 II 0,9 III 1 IV 1,1 7. Hasil Analisis dan Pembahasan Dalam percobaan ini, sumber cahaya yang digunakan memancarkan cahaya polikromatis, yang berarti harus difilter terlebih dahulu agar menghasilkan cahaya yang monokromatis. filter yang digunakan yakni dengan panjang gelombang 5769,59 ;5460,748 ;dan 4347,50 Filter tersebut menyebabkan cahaya mempunyai satu frekuensi saja. 4
Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, pengaruh intensitas cahaya terhadap arus fotoelektrik adalah berbanding lurus. Ketika tombol ON-OFF pada perangkat pengukuran konstanta Planck dihidupkan dan belum dinaikkan intensitas cahanyanya, pada layar belum ada arus yang terbaca. Kemudian, saat intensitas cahaya dinaikkan, penunjukkan arus pada layar juga meningkat. Semakin meningkat intensitas, semakin tinggi pula jumlah arus yang terbaca pada layar. Sehingga dapat dikatakan bahwa intensitas cahaya berbanding lurus dengan kuat arus fotolistrik. Hal ini menunjukkan adanya aliran arus listrik. Aliran arus ini terjadi karena adanya elektron yang terlepas dari permukaan (disebut sebagai elektron-foto). Apabila tegangan (Vs) diperkecil, arus ikut mengecil dan jika tegangan terus diperkecil sampai nilainya negatif, ternyata pada saat tegangan mencapai nilai tertentu (-Vs), layar menunjuk angka nol yang berarti tidak ada arus listrik yang mengalir atau tidak ada elektron yang keluar dari permukaan logam. Potensial Vs ini disebut potensial penghenti. Pengaruh intensitas cahaya terhadap energi kinetik elektron-foto berdasarkan percobaan yang dilakukan yaitu intensitas cahaya tidak bergantung pada energi kinetik elektron-foto. Kenaikan intensitas cahaya menyebabkan kenaikan partikel cahaya (foton) yang membentur permukaan logam. Sehingga apabila intensitas cahaya dinaikkan maka energi yang diterima elektron juga meningkat. Akibatnya, energi atau elektron-foto yang dihasilkan juga meningkat sehingga arus fotoelektrik yang dihasilkan juga meningkat. Selanjutnya dapat diketahui bahwa nilai perhitungan konstanta planck berbanding lurus dengan nilai intensitas cahaya. Pada intensitas pertama diperoleh nilai nilai h 1 = 0,3293 J.s; pada intensitas kedua h 2 = 0,4296 J.s ; intensitas ketiga h 3 = 0,4296 J.s ; dan intensitas keempat h 4 = 0,46544 J.s. Data pada percobaan ini membuktikan bahwa intensitas mempengaruhi nilai V o yang secara langsung juga mempengaruhi nilai h. Hal tersebut dipengaruhi oleh jumlah foton yang ada. Semua foton mempunyai energi yang sama yakni hf sehingga menambah intensitas cahaya bukan berarti menambah energi dari foton ataupun elektron, namun jumlah foton yang semakin banyak seiring dengan meningkatnya intensitas cahaya. Berbeda dengan nilai energi kinetik maksimum elektron. Nilai energi kinetik maksimum elektron tidak dipengaruhi oleh intensitas cahaya, namun dipengaruhi oleh frekuensi. Dimana semakin besar frekuensi maka energi kinetiknya akan semakin besar, begitu pula sebaliknya. Dalam percobaan kami, energi yang dibutuhkan oleh sebuah cahaya harus lebih besar dari 0,848 ev untuk bisa terjadi efek fotolistrik pada logam. 8. Kesimpulan Berdasarkan eksperimen efek fotolistrik ini, dapat dipelajari gejala fotolistrik secara eksperimen, dapat ditentukan fungsi kerja suatu logam (sel foto) dan dapat menentukan nilai tetapan planck dan energi kinetik maksimum foto elektron secara eksperimen dan berdasarkan bahan yang digunakan pada eksperimen, logam memiliki fungsi kerja 0,848 ev dan tetapan planck secara eksperimen yang paling mendekati literatur diperoleh pada intensitas keempat yaitu 0,46544 J.s. Referensi [1].Krane, Kenneth. S, 1982. Fisika Modern, Terjemahan : Hans. J. Wospakrik dan Sofia Nikhsolihin, Jakarta : Penerbit UI [2]. Zaidan, A., 2014, Modul Praktikum Eksperimental Fisika 1, tidak dipublikasikan 5
LAMPIRAN I ANALISIS PERHITUNGAN 1. TABEL FREKUENSI f = Intensitas Vs(volt) I 0,3 II 0,4 5769,59 5,1997 III 0,5 IV 0,6 I 0,5 II 0,6 5460,74 5,4938 III 0,7 IV 0,7 I 0,7 II 0,9 4347,50 6,9005 III 1 IV 1,1 Untuk menghitng nilai energy kinetik maksimum elektron, kita harus mendapatkan nilai h dan terlebih dahulu melalui persamaan Persamaan diatas sebanding dengan persamaan y = mx + n 2. PERSAMAAN REGRESI TIAP-TIAP INTENSITAS A. Persamaan Regresi Untuk Intensitas I f Vs FVs x y XY 5,1997 0,3 27,03688009 0,09 1,55991 5,4938 0,5 30,18183844 0,25 2,7469 6,9005 0,7 47,61690025 0,49 4,83035 = 1,5 = 104,8356188 = 0,83 = 9,13716 Persamaan regresi linear y = mx + n 6
-0,7071 Simpangan baku dalam m Simpangan baku dalam n 7
Vo Eksperimen Peristiwa Efek Fotolistrik pada Logam yang Disinari Cahaya Berikut grafik hubungan antara frekuensi dengan potensial henti pada Intensitas 1: 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Grafik Hubungan Antara frekuensi dan Potensial Henti pada Intensitas I y = 0,205x - 0,707 R² = 0,875 0 1 2 3 4 frekuensi (E+14) V Linear (V) Selanjutnya, untuk menghitung nilai h(tetapan planck) dan work function persamaan digunakan Persamaan tersebut kita analogikan dengan persamaan regresi Dimana dan n = Sehingga, Nilai tetapan planck dan work function pada intensitas pertama adalah : h = e.m = 1,6 = 0,3293 J.s = Sm.e 0,1243 J.s 0,3293 ) -n.e - (-0,7071)( ) J = - Sn.e = - ( )( ) = - 0,73504 J = - 0,459 ev 0,459 ) ev dan besarnya energy kinetik diperoleh melalui persamaan Untuk nilai f yang berbeda-beda di dapatkan F(hertz) (Nm) 5,1997 0,64378121 5,4938 0,67774834 6,9005 1,14097465 8
B. Persamaan Regresi Untuk Intensitas II f Vs FVs x y XY 5,1997 0,4 27,03688009 0,16 2,07988 5,4938 0,6 30,18183844 0,36 3,29628 6,9005 0,9 47,61690025 0,81 6,21045 = 1,9 = 104,8356188 = 1,33 = 11,58661 Persamaan regresi linear y = mx + n 0,9413 Simpangan baku dalam m 9
Vo Eksperimen Peristiwa Efek Fotolistrik pada Logam yang Disinari Cahaya Simpangan baku dalam n Berikut grafik hubungan antara frekuensi dengan potensial henti pada Intensitas 2: 1 Grafik Hubungan Antara frekuensi dan Potensial Henti pada Intensitas II y = 0,268x + 0,941 R² = 0,940 0.8 0.6 0.4 0.2 V Linear (V) 0 0 1 2 3 4 frekuensi (E+14) Selanjutnya, untuk menghitung nilai h(tetapan planck) dan work function persamaan digunakan Persamaan tersebut kita analogikan dengan persamaan regresi Dimana dan n = Sehingga, Nilai tetapan planck dan work function pada intensitas pertama adalah : h = e.m = 1,6 = 0,4296 J.s = Sm.e 0,04848 J.s 10
0,4296 ) -n.e - ( 0,9413)( ) J = - Sn.e = - ( )( ) = 0,63792 J = 0,398 ev ) ev Dan besarnya energi kinetik diperoleh melalui persamaan Untuk nilai f yang berbeda-beda di dapatkan : F(hertz) (Nm) 5,1997 0,72771112 5,4938 0,85405648 6,9005 1,4583748 C. Persamaan Regresi Pada Intensitas III No f (Hz) V o (V) f 2 (Hz 2 ) (V 2 ) f V o (V.Hz) x y x 2 y 2 Xy 1 5,1997 0,5 27,03688009 0,25 2,59985 2 5,4938 0,7 30,18183844 0,49 3,84566 3 6,9005 1,0 47,61690025 1,00 6,90050 2,2 104,8356188 1,74 13,34601 Persamaan regresi linear Mencari nilai m ( ) ( ) Mencari nilai n 11
Menghitung simpangan y [ ] [ ] Minghitung simpangan baku dalam m Minghitung simpangan baku dalam n 12
Vo (V) Eksperimen Peristiwa Efek Fotolistrik pada Logam yang Disinari Cahaya Grafik hubungan antara frekuensi dengan potensial henti pada Intensitas III : Grafik Hubungan Antara frekuensi dan Potensial Henti pada Intensitas III 1.2 1 0.8 y = 0,269E-14x - 0,841 R² = 0,940 0.6 0.4 0.2 V Linear (V) 0 0 5E+14 1E+15 Frekuensi (Hz) Nilai h (tetapan planck) dan (work function) diperoleh menggunakan persamaan : Persamaan tersebut dapat dianalogikan dengan persamaan regresi : Dimana dan Sehingga, Nilai tetapan Planck dan Work function pada intensitas ke-tiga diperoleh : h = e.m = = 0,4296 Js = Js ) Js ) Js J = ) J ev 13
0,397 ) J Besarnya energi kinetik diperoleh melalui persamaan : Dengan beberapa nilai f, diperoleh : D. Persamaan Regresi Pada Intensitas IV No f Vs f 2 2 V o f V o x (Hz) y (V) x 2 (Hz 2 ) y 2 (V 2 ) xy(v Hz) 1 5,1997 0,6 27,03688009 0,36 3,11982 2 5,4938 0,7 30,18183844 0,49 3,84566 3 6,9005 1,1 47,61690025 1,21 7,59055 2,4 104,8356188 2,06 14,55603 Persamaan regresi linear Mencari nilai m ( ) ( ) Mencari nilai n 14
Minghitung simpangan pada y [ ] [ ] Simpangan baku dalam m Simpangan baku dalam n 15
Vo (V) Eksperimen Peristiwa Efek Fotolistrik pada Logam yang Disinari Cahaya Grafik hubungan antara frekuensi dengan potensial henti pada Intensitas IV Grafik Hubungan Antara frekuensi dan Potensial Henti pada Intensitas IV 1.2 1 0.8 y = 0,291E-14x- 0,906 R² = 0,999 0.6 0.4 0.2 v Linear (v) 0 0 5E+14 1E+15 Frekuensi (Hz) Nilai h (tetapan planck) dan (work function) diperoleh menggunakan persamaan : Persamaan tersebut kita analogikan dengan persamaan regresi : Dimana dan n = Sehingga, Nilai tetapan Planck dan Work function pada intensitas ke-empat diperoleh : h = e.m = = 0,46544 Js = Js ) Js ) Js 16
ev J = ) = J = ev ) ev Besarnya energi kinetik diperoleh menggunakan persamaan : Dengan beberapa nilai f, diperoleh : J Jadi nilai fungsi kerja logam rata rata adalah : 17
LAMPIRAN II LAPORAN SEMENTARA 18