Sitti Halija1), Muchlis 2), Nur Alisya Ibrahim3), Ahmad Sahabuddin4) Nur Mutiah
Laboratorium Fisika Modern Universitas Negeri Makassar
Abstrak –Percobaan efek fotolistrik bertujuan untuk mengamati perilaku cahaya sebagai partikel menurut terori kuantum. Selain itu percobaan ini juga bertujuan untuk menentukan konstanta Planck sekaligus menentukan loga yang digunakan. Percobaan ini dilakukan dengan cara membuat konstan intensitas cahaya yang digunakan, kemudian memanipulasi potensial penghalang (V) menjadi lebih kecil (<Vs), lebih besar (>Vs), dan sama dengan potrnsial henti (=Vs). Hasil yang diperoleh digunakan untuk menjelaskan perilaku cahaya sebagai partikel. Selanjutnya untuk menentukan konstanta Planck, pada percobaan ini dilakukan dengan memanipulasi frekuensi atau panjang gelombang cahaya yang digunakan kemudian mengamati potensial henti (Vs) dari masing-masing panjang gelombang. Setelah memplot grafik hubungan antara Vs dan frekuensi maka diperoleh konstanta Planck berdasarkan eksperimen dan besar fungsi kerja logam diperoleh Wo = 1.4823 eV. Dari nilai fungsi kerja logam yang diperoleh dapat diketahui bahwa logam yang dipakai pada percobaan ini adalah logam Cesium (Ce).
KATA KUNCI : efek fotolistrik, frekuensi, fungsi kerja logam, intensitas cahaya, konstanta Planck, potensial penghalang,potensial henti,
Abstract - The photoelectric effect experiment aims to observe the behavior of light as a particle according to quantum theory. In addition, this experiment also aims to determine Planck's constant while determining the vessel used. This experiment is done by making a constant intensity of light used, then manipulating the potential barrier (V) to be smaller (<Vs), greater (> Vs), and equal to stop potential (= Vs). The results obtained are used to explain the behavior of light as a particle. Next to determine the Planck constellation, this experiment is done by manipulating the frequency or wavelength of light used and then observing the stop potential (Vs) of each wavelength. After plotting the graph of the relationship between Vs and frequency, Planck's constant is obtained by experiment | 6.51 ± 0.06 | and the amount of metal working function obtained by Wo = 1.4823 eV. From the value of metal work function obtained, it can be seen that the metal used in this experiment is Cesium (Ce) metal
KEY WORDS: frequency, light intensity, metal work function, photoelectric effect, Planck constant, potential barrier, potential stop
PENDAHULUAN
Einstein dengan menggunakan gagasan kuanta Planck memberikan penjelasan teoritis terhadap hasil pengamatan gejala fotolistrik. Dalam bagian akhir makalahnya 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 f yang digunakan dalam menyinari katode, yaitu –eUo= hf – w [3].
Penemuan efek fotolistrik merupakan salah satu tonggak sejarah kelahiran fisika kuantum. Dimana didalam fisika klasik yang dulunya dianggap sebagai sebuah teori yang benar, harus diluruskan. Efek fotolistrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan logam ketika disinari cahaya atau gelombang elektromagnetik yang berada di atas frekuensi ambang dan sangat bergantung pada jenis permukaan. Sebelum katode disinari, tidak ada arus. Setelah katode disinari pada rangkaian ada arus. Jadi jarum galvanometer bergerak. Adanya arus mengalir disebabkan oleh logam katode yang disinari melepaskan elektron-elektron dan menuju ke anode sehingga terjadi aliran elektron. Jadi, elektron yang terlepas pada efek fotolistrik disebut fotoelektron [2].
Secara klasik, menurut teori gelombang cahaya, sebuah atom akan menyerap energi dari gelombang elektromagnetik datang yang sebanding dengan luasnya. Sebagai reaksi atas medan elektrik gelombang maka elektron atom akan bergetar hingga tercapai cukup energi untuk melepaskan sebuah elektron dari ikatan atomnya. Penambahan kelajuan cahaya akan memperbesar laju penyerapan energi, karena medan elektriknya bertambah sehingga laju pemancaran elektron juga bertambah. Akan tetapi penyerapan ini terjadi pada semua panjang gelombang sehingga keberadaan panjang gelombang pancung sama sekali bertentangan dengan gambaran gelombang cahaya. Pada panjang gelombang yang lebih besar daripada λc pun, teori gelombang mengatakan bahwa seharusnya masih mungkin bagi suatu gelombang elektromagnet memberikan energi yang cukup guna melepaskan elektron. Ini berarti ada waktu yang cukup lama bagi atom untuk melepaskan sebuah elektron. Misalkan sebuah laser helium-neon. Keluaran daya yang dihasilkan oleh laser seperti ini paling tinggi 10-3 W yang penampang berkasnya terbatasi pada luas sekitar beberapa milimeter persegi (10-5 m2). Diameter khas atom adalah dalam orde 10-10 m, jadi luasnya dalam orde adalah 10-20 m2. Karena itu fraksi intensitas sinar laser yang jatuh pada atom adalah sekitar 10-20 m2 / 10-5m2 ≈10-15. Jadi hanya 10-18 W = 10-18 J/s ≈ 6 eV/s daya yang dapat diserap atom, dan untuk menyerap energi demikian, menurut teori gelombang cahaya maka dapat diperkirakan tidak akan terlihat fotoelektron terpancar hingga beberapa detik setelah sumber cahaya dinyalakan. Berkas fotoelektron dipancarkan dalam selang waktu 10-9 s [1].
Tidak ada keterlambatakn waktu antara datangnya cahaya pada permukaan logam dan terpancarnya elektron.
Energi fotoelektron bergantung pada frekuensi cahaya yang digunakan dan di bawah frekuensi tertentu tidak ada electron dipancarkan walau intensitas diperbesar. Energi kinetik elektron, energi cahaya, dan energi minimum dari cahaya yang diperbolehkan memenuhi hubungan:
Ek = E - Φo (1)
Jelas, jika energi cahaya E kurang dari energi minimum tidak ada elektron terpancar. Pada tahun 1905, Einstein mengemukakan penjelasan berupa ketergantungan fotoelektron pada frekuensi radiasi. Menurutnya, radiasi yang sampai pada permukaan menjadi sebungkus (bundle) energi yang terlokalisasi sebagaimana digagas Max Planck dan merambat dengan laju cahaya. Sebungkus atau paket cahaya ini kemudian disebut sebagai foton. Jika foton sampai pada permukaan logam , maka (1) Foton akan dipantulkan (sesuai hukum optic) dan (2) Foton dapat lenyap dan menyearahkan sleuruh energinya untuk melempar elektron)
Dengan demikian, persamaan (1) menjadi:
Ek= hυ - Φo (2)
Energy minimum Φo = eVo disebut fungsi kerja (work function) dari logam. Persamaan (2) diperoleh frekuensi radiasi minimum untuk melempar elektron, yaitu: [2].
υo=Φo⁄h (3)
Ek= h(υ-υo) (4)
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 [3].
Pada eksperimen efek fotolistrik, berkas cahaya ditembakkan ke permukaan logam yang diletakkan di dalam suatu tabung vakum sehingga elektron terpencar keluar dari permukaan, Seperti terlihat pada gambar berikut :
Gambar 1. Rangkaian eksperimen efek fotolistrikDi 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 .
Dengan menggunakan teori Planck, Einstein menemukan gejala efek fotolistrik dengan persamaan :
E= hυ= EKmax - Wo (5)
Dengan EKmax = energi kinetik maksimum (eV), dan = fungsi kerja logam (eV).
Persamaan (5) memungkinkan pengukuran konstanta Planck dengan analisis sebagai berikut. Cahaya dengan energi menabrak elektron katode di dalam tabung hampa. Elektron memanfaatkan energi minimum Wo untuk melepaskan diri dari katoda, beberapa elektron keluar dengan energi maksimum EKmax 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 :
EKmax= e. Vs (6)
Dengan mensubstitusi persamaan (6) ke dalam persamaan (5) diperoleh persamaan Einstein,
hυ= e. Vs - Wo (7)
Bila V dan υ diplot, akan diperoleh grafik sebagai berikut:
Gambar 2. grafik hubungan potensial penghenti terhadap frekuensi Perpotongan kurva dengan Vs sama dengan Wo⁄e dan kemiringan kurva adalah h⁄e. Dengan mengetahui nilai e, konstanta h dapat ditentukan. Sedangkan perpotongan kurva dengan sumbu v memberikan harga frekuensi ambang dan perpotongan kurva dengan sumbu Vs dalam arah negatif memberikan harga fungsi kerja dari katoda [3].
METODE EKSPERIMEN
Pada percobaan Efek Fotolistrik, berkas cahaya ditembakkan ke permukaan logam yang diletakkan di dalam suatu tabung vakum sehingga elektron terpencar keluar dari permukaan. Adapun alat dan bahan yang digunakan yaitu perangkat pengukuran konstanta Planck, PC-101 dan beberapa buah filter, seperti terlihat pada gambar berikut :
Gambar 3. Perangkat percobaan efek fotolistrikPada eksperimen kali ini dilakukan dua kegiatan yaitu pada kegiatan pertama mengamati pengaruh intensitas cahaya terhadap arus, pada kegiatan kedua mengamati pengaruh frekuensi terhadap potensial benghenti.
Pada kegiatan pertama pengamatan pengaruh intensitas cahaya terhadap arus. Langkah pertama yaitu mengatur sumber cahaya sejauh 35 cm dari sensor dan mengatur current multiplier pada posisi ×0.01. Setelah itu, mengambil filter biru dan meletakkannya pada jendela tabung. Mengatur light intensity (intensitas cahaya) hingga terbaca arus pada layar dan ditentukan nilai arusnya misalnya 3.0 (angka yang terbaca pada layar menjadi nilai potensial penghalang). Selanjutnya, mengatur voltage direction ke penunjukkan negatif (-). Kemudian memutar voltage adjustor sampai penunjukan arus pada layar menjadi nol. Mengatur display mode ke penunjukan voltage, pada layar akan terbaca angka yang menjadi nilai potensial penghenti. Kemudian dengan cara yang sama tapi diatur potensial penghalang yang lebih kecil dari potensial penghenti (VV_s ), tapi sebelum melakukan perlakuan yang lain, sebaiknya perangkat percobaan dikalibrasi agar data yang diperoleh lebih akurat.
Pada kegiatan kedua pengamatan pengaruh frekuensi terhadap potensial penghenti, langkah awal yaitu mengganti filter biru dengan filter merah (menggunakan tisu). Mencatat panjang gelombang warna filter tersebut. Prosedur kerjanya sama dengan kegiatan pertama, namun potensial penghalang diatur pada nilai nol, kemudian mencatat penunjukan nilai potensial penghenti pada tabel pengamatan, dan melanjutkan pengukuran nilai potensial penghenti dengan menggunakan filter Jingga, kuning, hijau dan biru.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kegiatan 1
Tabel 1. Hasil Pengamatan Pengaruh Intensitas Cahaya terhadap Kuat Arus
Kegiatan II
Tabel 2. Hasil pengamatan pengaruh panjang gelombang terhadap potensial penghenti
Grafik 1. Hubungan antara potensial henti dengan frekuensidengan menggunakan analisis berikut maka diperoleh;
PEMBAHASAN
Eksperimen kali ini berjudul “efek fotolistrik”, dimana tujuan yang ingin dicapai adalah mengamati cahaya sebagai partikel menurut teori kuantum dan menentukan konstanta Planck. Selain itu, kita juga akan melihat bagaimana pengaruh intensitas dan tegangan henti terhadap kuat arus listrik. eksperimen ini terdiri dari dua kegiatan, kegiatan pertama untuk membuktikan teori kuantum tentang cahaya, dan kegiatan kedua yaitu untuk mengetahui pengaruh frekuensi terhadap potensial henti.
Berdasarkan hasil eksperimen untuk kegiatan pertama didapatkan bahwa ketika perangkat dalam keadaan siap digunakan, dan secara perlahan tunning intensitas dinaikkan maka meningkat pula partikel foton yang menumbuk permukaan logam sehingga energy yang diterima elektron juga akan meningkat dan sebagai akibatnya ada atau terbacanya arus pada layar dimana hubungan antarkeduanya saling berbanding lurus, artinya semakin tinggi intensitas cahaya yang diberikan maka semakin tinggi pula kuat arus yang muncul. Selain itu, ketika kita memutar tunning potensial sari kecil kebesar, maka kuat arus yang muncul akan berbanding lurus dengan potensial. Tetapi ketika tunning potensial diputar dari besar ke kecil sampai ke potensial yang nilainya negative, maka suatu saat arus akan sama dengan nol, sehingga nilai potensial yang ditunjukkan merupakan potensial henti (Vs).
Adapun penjelasan teori klasik dan kuantum mengenai kegiatan pertama yaitu : (1) Berdasarkan klasik menjelaskan terjadinya peristiwa efek fotolistrik bergantung pada intensitas cahaya bukan pada frekuesni cahaya, tetapi menurut kuantum, jika energy foton lebih besar dari energy ikat elektron, maka memungkinkan elektron akan terlepas dari permukaan logam. Dikatenakan energy foton hanya bergantung pada frekuensi. (2) Menurut klasik tidak adanya pengaruh dari potensial henti, tetapi berdasarkan hasil praktikum diperoleh bahwa ketika energy tumbukan dari foton akan menimbulkan kuat arus dan suatu saat kuat arus akan sama dengan nol yang dimana nilai kuat arus ini dipengaruhi pula oleh potensial henti.
Berdasarkan hasi eksperimen dan analisis data untuk kegiatan kedua, diperoleh pengaruh frekuensi terhadap potensial henti berbanding lurus, semakin besar frekuensi yang diberikan, maka semakin besar pula potensial hentinya. Dengan nilai konstanta Planck |6,51±0,06|×10(-34) Js yang berbeda dengan nilai secara teori yang dikemukakan oleh Max Plank yaitu 6,62618×10(-34) Js dengan %diff=1,81 %. Adapun fungsi kerja yang diperoleh adalah Wo = 1,4823 eV. Adanya perbedaan antara konstanta Planck secara teori dan dari hasil pengamatan, diakibatkan oleh beberapa faktor, salah satunya yaitu kesalahan dan kurang telitinya praktikan pada saat melakukan dan mengambil data eksperimen.
KESIMPULAN
- Berdasarkan eksperimen yang dilakukan, dapat disimpulkan bahwa cahaya berilaku sebagai partikel yang dimana teori ini tunduk pada teori kuantum.
- Berdasarkan analisis data diperoleh nilai konstanta Planck pada eksperimen ini yaitu |6,51±0,06|×10(-34) Js. Adapun nilai fungsi kerja yang diperoleh yaitu Wo = 1,4823 Ev.
DAFTAR PUSTAKA
- Krane, Kenneth S. 1992. Fisika Modern. Jakarta : Universitas Indonesia
- Purwanto, Agus. 2016. Fisika Kuantum Edisi 2 Revisi. Gava Media: Yokyakarta
- Subaer, dkk. 2019. Modul Praktikum Eksperimen Fisika 1. Unit Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA UNM. Makassar: Jurusan Fisika UNM.