Upload
nurfaizatul-jannah
View
119
Download
14
Embed Size (px)
Citation preview
LAPORAN AKHIR
MATA KULIAH EKSPERIMEN FISIKA 1
EFEK FOTOLISTRIK
Disusun untuk memenuhi tugas Eksperimen Fisika 1
Oleh :
Nurfaizatul Jannah
NIM. 141810201051
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS JEMBER
2016
EFEK FOTOLISTRIK
Nurfaizatul Jannah1
1Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Jember
* Email: [email protected]
19 Desember 2016
ABSTRAK
Efek fotolistrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan logam ketika disinari oleh cahaya yang memiliki energi lebih besar daripada fungsi kerja logam. Tujuan percobaan efek fotolistrik selain untuk mengetahui konstanta Planck dan fungsi kerjanya, juga untuk mengetahui pengaruh intensitas dan frekuensi cahaya terhadap besarnya potensial penghenti yang terbaca. Data yang dicari adalah potensial penghenti, dengan pengulangan sebanyak 3 kali. Variasi yang dilakukan untuk mengetahui pengaruh intensitas dan frekuensi terhadap potensial penghenti berturut-turut adalah persentase filter transmisi dari 20% hingga 100% dan frekuensi dari rendah ke tinggi (kuning-ungu) untuk orde 1 dan 2. Hasil menunjukkan bahwa konstanta Planck untuk orde 1 dan 2 berturut-turut sebesar 3,87×10−15eV . s dan 4,00 × 10−15 eV . s dengan deskripansi sekitar 8% dan 3%. Sementara fungsi kerja fotodioda yang diperoleh ialah 2,2 ×10−20 V untuk orde 1 dan 4,6 × 10−20 V untuk orde 2. Diketahui pula bahwa tidak ada pengaruh intensitas terhadap potensial penghenti, karena yang mempengaruhi adalah frekuensi.
Kata kunci: Efek Fotolistrik, Frekuensi, Konstanta Planck, Fungsi Kerja.
1. PENDAHULUAN
Efek fotolistrik adalah peristiwa
terlepasnya elektron dari permukaan logam
karena logam tersebut disinari cahaya. Untuk
menguji teori kuantum yang dikemukakan
oleh Max Planck, kemudian Albert Einstein
mengadakan suatu penelitian yang bertujuan
untuk menyelidiki bahwa cahaya merupakan
pancaran paket-paket energi yang kemudian
disebut foton yang memiliki energi sebesar
h f . Percobaan yang dilakukan Einstein lebih
dikenal dengan sebutan efek fotolistrik
(Purwanto,1999).
Gambar 1.1 Skema Percobaan Efek Fotolistrik
(Sumber : Soedojo, 1998)
Gambar di atas menggambarkan skema
alat yang digunakan Einstein untuk
mengadakan percobaan. Alat tersebut terdiri
atas tabung hampa udara yang dilengkapi
dengan dua elektroda, yaitu katoda dan anoda
yang dihubungkan dengan tegangan arus
searah (DC). Pada saat alat tersebut dibawa
ke ruang gelap, maka amperemeter tidak
menunjukkan adanya arus listrik. Akan tetapi
pada saat permukaan katoda dijatuhkan sinar,
amperemeter menunjukkan adanya arus
listrik. Aliran arus ini terjadi karena adanya
elektron yang terlepas dari permukaan (yang
selanjutnya disebut fotoelektron) katoda
bergerak menuju anoda. Apabila tegangan
baterai diperkecil sedikit demi sedikit,
ternyata arus listrik juga semakin mengecil
dan jika tegangan terus diperkecil sampai
nilainya negatif, ternyata pada saat tegangan
mencapai nilai tertentu (−V 0), amperemeter
menunjuk angka nol yang berarti tidak ada
arus listrik yang mengalir atau tidak ada
elektron yang keluar dari keping katoda.
Potensial V 0 ini disebut potensial penghenti
yang nilainya tidak tergantung pada intensitas
cahaya yang dijatuhkan. Hal ini menunjukkan
bahwa energi kinetik maksimum elektron
yang keluar dari permukaan adalah sebesar :
Ek=12
mv2=eV 0 (1.1)
Berdasarkan hasil percobaan ini ternyata
tidak semua cahaya (foton) yang dijatuhkan
pada keping katoda akan menimbulkan efek
fotolistrik. Efek fotolistrik akan timbul jika
frekuensinya lebih besar dari frekuensi
tertentu. Demikian juga frekuensi minimal
yang mampu menimbulkan efek fotolistrik
tergantung pada jenis logam yang digunakan
(Krane, 1992).
Ternyata teori gelombang gagal
menjelaskan tentang sifat-sifat penting yang
terjadi pada efek fotolistrik, antara lain :
Pertama, menurut teori gelombang, energi
kinetik fotoelektron harus bertambah besar
jika intensitas foton diperbesar. Akan tetapi
kenyataan menunjukkan bahwa energi kinetik
fotoelektron tidak bergantung pada intensitas
foton yang dijatuhkan. Kedua, menurut teori
gelombang, efek fotolistrik dapat terjadi pada
sembarang frekuensi, asal intensitasnya
memenuhi. Akan tetapi kenyataannya efek
fotolistrik baru akan terjadi jika frekuensi
melebihi harga tertentu dan untuk logam
tertentu dibutuhkan frekuensi minimal
tertentu agar dapat timbul fotoelektron.
Ketiga, menurut teori gelombang, diperlukan
waktu yang cukup untuk melepaskan elektron
dari permukaan logam. Akan tetapi
kenyataannya elektron terlepas dari
permukaan logam dalam waktu singkat
¿10−9 s setelah waktu penyinaran. Terakhir,
teori gelombang tidak dapat menjelaskan
mengapa energi kinetik maksimum
fotoelektron bertambah jika frekuensi foton
yang dijatuhkan diperbesar (Beiser,1999).
Menurut Muljono (2003), teori
kuantum mampu menjelaskan peristiwa efek
fotolistrik karena menurut teori kuantum,
foton memiliki energi yang sama, yaitu
sebesar h f , sehingga menaikkan intensitas
foton berarti hanya menambah banyaknya
foton, tidak menambah energi foton selama
frekuensi foton tetap. Menurut Einstein,
energi yang dibawa oleh foton adalah dalam
bentuk paket, sehingga jika diberikan pada
elektron akan diberikan seluruhnya dan foton
tersebut lenyap. Oleh karena elektron terikat
pada energi ikat tertentu, maka diperlukan
energi minimal sebesar energi ikat elektron
tersebut. Besarnya energi minimal yang
diperlukan untuk melepaskan elektron dari
energi ikatnya disebut fungsi kerja (ϕ0) atau
energi ambang. Besarnya ϕ0 tergantung pada
jenis logam yang digunakan. Apabila energi
foton yang diberikan pada elektron lebih
besar dari fungsi kerjanya, maka kelebihan
energi tersebut akan berubah menjadi energi
kinetik elektron. Akan tetapi jika energi foton
lebih kecil dari energi ambangnya (h f <ϕ0 ¿
tidak akan menyebabkan elektron terlepas
dari logam. Frekuensi foton terkecil yang
mampu meampu melepaskan elektron dari
logam disebut frekuensi ambang. Sebaliknya
panjang gelombang terbesar yang mampu
melepaskan elektron dari logam disebut
panjang gelombang ambang. Sehingga
hubungan antara energi foton, fungsi kerja
dan energi kinetik fotoelektron dapat
dinyatakan dalam persamaan :
E=ϕ0+Ek (1.2)
Ek=E−ϕ0 (1.3)
Sehingga
Ek=hf −h f 0=h( f − f 0) (1.4)
Gambar 1.2 Grafik Hubungan Ek dengan f
(Sumber : Soedojo, 1998)
dengan :
Ek=Energi kinetik maksimum fotoelektron
E=Energi kuantum foton
ϕ0=Fungsi kerja logam
f =Frekuensi foton
f 0=Frekuensiambang
Berdasarkan percobaan yang telah
dilakukan oleh Einstein, praktikan mencoba
Start
Rangkai alat
Hidupkan sumber cahaya merkuri
Hidupkan h/e apparatus dan atur posisinya
Tekan “push to zero” / “discharge”
Gunakan filter kuning
Pilih intensitas transmisi
Catat potensial penghenti yang terbaca
Intensitas cahaya sudah terpakai semua
Ganti intensitas cahaya
Filter kuning sudah digunakan
Ganti filter hijau
End
melakukan eksperimen efek fotolistrik
kembali untuk mencari fungsi kerja dari
fotodioda yang digunakan dalam ekpserimen
dan konstanta Planck yang didapatkan, serta
pengaruh intensitas dan frekuensi cahaya
terhadap potensial penghenti (stopping
potential) yang terukur.
2. METODE EKSPERIMEN
2.1 Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan dalam
eksperimen efek fotolistrik adalah sumber
cahaya merkuri yang berfungsi sebagai
sumber cahaya, h/e apparatus berfungsi
sebagai tempat terjadinya fotolistrik, lensa
atau grating sebagai pendifraksi cahaya
merkuri, relative transmission sebagai
peredup intensitas cahaya, voltmeter digital
sebagai pembaca potensial penghenti, light
block sebagai pemblock cahaya, dan filter
hijau serta kuning untuk meneruskan
spektrum warna hijau dan kuning.
2.2 Desain Eksperimen
Desain percobaan yang digunakan
dalam ekperimen efek fotolistrik adalah
sebagai berikut :
Gambar 2.1 Skema Percobaan Efek Fotolistrik
(Sumber : Tim Penyusun, 2016)
2.3 Langkah Kerja
2.3.1 Pengaruh intensitas cahaya terhadap
potensial penghenti
Start
Rangkai alat
Hidupkan sumber cahaya merkuri
Hidupkan h/e apparatus dan atur posisinya
Pastikan spektrum warna kuning tepat mengenai bagian tengah fotodioda
Gunakan filter warna (hanya untuk spektrum kuning dan hijau)
Tekan “push to zero” / “discharge”
Catat potensial penghenti yang terbaca
Spektrum kuning sudah digunakan
Ganti spektrum warna lain
dari merkuri
Orde satu sudah diamati
Ganti spektrum
warna pada orde dua
End
2.3.2 Pengaruh frekuensi cahaya terhadap
potensial penghenti
2.4 Analisis Data
Analisis data yang digunakan dalam
ekperimen efek fotolistrik adalah sebagai
berikut :
2.4.1 Tabel Data Pengamatan
Tabel 2.1 Pengaruh filter transmisi (jumlah
foton) terhadap besar potensial penghenti
Tabel 2.2 Pengaruh frekuensi gelombang
elektromagnetik terhadap besar potensial
penghenti
2.4.2 Persamaan yang Digunakan
Dengan memplot grafik hubungan
antara frekuensi dan tegangan penghenti yang
dihasilkan, didapatkan persamaan garis
regresi sebagai berikut :
y=mx+c
y=∆ V=he
υ−ϕe
Atau
Filter Transmisi (%)
Tegangan Penghenti (Volt)
Frekuensi (Hz)
Tegangan Penghenti (Volt)
m=he=
N∑ xi y i−∑ x i∑ y i
N∑ x2i−(∑ x i)
2
c=ϕe=∑ y i−m∑ x i
N
Dengan ralat grafik
Δ y=√ 1N −2 (∑i=1
N
y i2−m∑
i=1
N
x i y i−c∑i=1
N
y i) Δ m= Δ y N1 /2
[ N∑ x2i−(∑ x i )
2 ]1 /2
Δ c=√ Δm 1N ∑
i=1
N
x2i
2.4.3 Grafik
a. Grafik hubungan filter transmisi
terhadap besar potensial penghenti
b. Grafik hubungan frekuensi transmisi
terhadap besar potensial penghenti
3. HASIL
Berdasarkan percobaan efek fotolistrik
yang telah dilakukan, diperoleh hasil sebagai
berikut :
Tabel 3.1 Pengaruh filter transmisi (jumlah
foton) terhadap besar potensial penghenti
Filter
Transmisi
(%)
Potensial Penghenti (Volt)
Kuning Hijau Biru Ungu
20 1,15 1,42 1,87 2,38
40 1,32 1,62 2,07 2,53
60 1,48 1,76 2,25 2,63
80 1,57 1,83 2,31 2,72
100 1,92 2,12 2,53 2,97
Gambar 3.1 Grafik hubungan filter transmisi
terhadap besar potensial penghenti
Tabel 3.2 Pengaruh frekuensi gelombang
elektromagnetik terhadap besar potensial
penghenti pada orde satu
Warna Frekuensi (Hz)Potensial
Penghenti (V)
Kuning 5,187 ×1014 2,14
Hijau 5,49 ×1014 2,27
Biru 6,879 ×1014 2,85
Ungu 7,409 ×1014 2,98
h (eV.s) Δh (eV.s) ɸ (V) Δ ɸ (V)
3,8769
×10−15
2,09577
×10−16
2,24532
×10−20
2,11585
×10−20
Gambar 3.2 Grafik hubungan frekuensi
tranmisi terhadap potensial penghenti pada
orde satu
Gambar 3.3 Grafik eror hubungan frekuensi
transmisi terhadap potensial penghenti pada
orde satu
Tabel 3.3 Pengaruh frekuensi gelombang
elektromagnetik terhadap besar potensial
penghenti pada orde dua
Warna Frekuensi (Hz)Potensial
Penghenti (V)
Kuning 5,187 ×1014 1,73
Hijau 5,49 ×1014 1,98
Biru 6,879 ×1014 2,41
Ungu 7,409 ×1014 2,7
h (eV.s) Δh (eV.s) ɸ (V) Δ ɸ (V)
4,0003
×10−15
4,14286
×10−16
4,6669
×10−20
4,1826
×10−20
Gambar 3.4 Grafik hubungan frekuensi
transmisi terhadap besar potensial penghenti
pada orde dua
Gambar 3.5 Grafik eror hubungan frekuensi
transmisi terhadap besar potensial penghenti
pada orde dua
4. DISKUSI
Efek fotolistrik adalah peristiwa
terlepasnya elektron dari permukaan logam
ketika energi foton lebih besar dari fungsi
kerja yang dimiliki oleh logam tersebut,
dimana besarnya energi foton selain
tergantung pada frekuensi juga bergantung
pada konstanta Planck. Untuk mengetahui
fungsi kerja fotodioda yang digunakan serta
konstanta Planck yang diperoleh berdasarkan
eksperimen, maka dapat dilakukan analisa
pada garis regresi yang merupakan hasil plot
antara frekuensi dan potensial penghenti.
Hasil pada tabel 3.2 dan 3.3 menunjukkan
bahwa nilai konstanta Planck yang diperoleh
pada orde 1 dan orde 2 berturut-turut sebesar
3,87×10−15eV . s dan 4,00 × 10−15 eV . s. Nilai
tersebut sedikit menyimpang dari nilai
konstanta Planck secara teori, yakni
4,135 × 10−15 eV . s dengan deskripansi orde 1
dan 2 berturut-turut sebesar 8,1 % dan dan
3,3 %. Nilai deskripansi tersebut menyatakan
bahwa semakin kecil persentasenya, maka
nilai konstanta Planck yang diperoleh
berdasarkan eksperimen semakin mendekati
nilai yang seharusnya. Sementara itu fungsi
kerja fotodioda yang dihasilkan pada orde 1
dan 2 berturut-turut sebesar 2,2×10−20 V dan
4,6× 10−20 V . Nilai tersebut tidak dapat
dibandingkan dengan nilai referensi karena
tidak ada data referensi yang menyebutkan
nilai fungsi kerja fotodioda tersebut.
Berdasarkan grafik hubungan antara
persentase filter transmisi dan potensial
penghenti untuk masing-masing spektrum
warna, diketahui bahwa seiring bertambahnya
persentase filter transmisi, maka potensial
penghenti yang terukur semakin besar,
dimana persentase transmisi menyatakan
besar kecilnya intensitas foton yang
dikenakan pada fotodioda. Hasil tersebut
kurang sesuai dengan teori yang ada, dimana
Krane menyebutkan dalam bukunya bahwa
kenaikan intensitas sumber cahaya akan
berakibat pada semakin banyaknya
fotoelektron yang dipancarkan, namun
demikian semua fotoelektron memiliki energi
kinetik yang sama. Tidak sesuainya hasil
ekperimen dengan referensi yang ada
diindikasikan karena saat cahaya memasuki
filter transmisi, terdapat perbedaan indeks
bias antara bahan dan udara, sehingga
mengakibatkan fase gelombang cahaya
sedikit berubah, dengan komponen
perubahannya adalah frekuensi. Dengan
demikian, adanya filter transmisi
mengakibatkan adanya perubahan frekuensi
cahaya datang, sehingga potensial penghenti
yang terukur sedikit menyimpang seiring
kenaikan intensitas atau persentase filter
transmisi.
Tujuan ekperimen yang ingin dicapai
selanjutnya adalah mengetahui pengaruh
frekuensi sinar yang digunakan terhadap nilai
potensial penghenti. Berdasarkan hasil
eksperimen, diketahui bahwa semakin besar
frekuensi yang digunakan, maka semakin
besar pula potensial penghentinya. Hal
tersebut bersesuaian dengan teori yang ada,
dimana secara teori disebutkan bahwa energi
cahaya yang menembak logam (dalam hal ini
fotodioda) tergantung pada frekuensi.
Sehingga, semakin besar frekuensi cahaya,
semakin besar pula energinya dan semakin
besar potensial penghenti yang diperlukan
untuk menahan arus yang mengalir.
5. KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan eksperimen efek fotolistrik
yang telah dilakukan, dapat disimpulkan
bahwa :
1. Konstanta Planck untuk orde 1 dan 2
berturut-turut adalah 3 , 87 ×10−15eV . s
dan 4,00 × 10−15 eV . s. Sementara
fungsi kerja yang diperoleh untuk orde
1 adalah 2,2 ×10−20 V dan 4,6 × 10−20 V
untuk orde 2.
2. Intensitas cahaya tidak berpengaruh
pada potensial penghenti.
3. Frekuensi cahaya berbanding lurus
dengan potensial penghenti
5.2 Saran
Berdasarkan pengalaman praktikan
dalam melaksanakan ekperimen efek
fotolistrik, disarankan agar referensi dari
fungsi kerja fotodioda dicantumkan, sehingga
memudahkan praktikan dalam
membandingkan antara hasil ekperimen
dengan nilai yang seharusnya. Selain itu, ada
baiknya fotodioda yang telah digunakan
diganti terlebih dahulu terkait dengan
sensitivitas dan perolehan data yang lebih
kredibel.
DAFTAR PUSTAKA
1. Beiser, Arthur. 1999. Konsep Fisika
Modern. Jakarta : Erlangga.
2. Krane, Kenneth. 1992. Fisika Modern.
Jakarta : Universitas Indonesia.
3. Muljono. 2003. Fisika Modern.
Yogyakarta : Andi.
4. Purwanto, Agus. 1999. Fisika Kuantum.
Yogyakarta : Penerbit Gaya Media.
5. Soedojo, Peter, B.Sc. 1998. Fisika Dasar.
Yogyakarta : Andi.
6. Tim Penyusun Buku Panduan Praktikum
Eksperimen Fisika 1. 2016. Buku
Panduan Praktikum Eksperimen
Fisika 1. Jember : FMIPA Universitas
Jember.