EFEK FOTOLISTRIK 2 LAPORAN PRAKTIKUM ditujukan untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Eksperimen Fisika 2 yang diampu oleh Dr. Parlindungan Sinaga, M.Si
Disusun oleh: Dhea Intan Patya
(1301982)
Teman sekelompok: Elza Anisa Suwandi
(1305749)
LABORATORIUM FISIKA LANJUT PRODI FISIKA DEPARTEMEN PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA 2016
A. Tujuan 1. Memahami fenomena efek fotolistrik. 2. Menentukan konstanta Planck. B. Dasar Teori Pada awal abad ke-20 serangkaian eksperimen menyatakan bahwa elektron dilepaskan dari permukaan logam jika cahaya yang frekuensinya cukup tinggi dipancarkan pada permukaan logam tersebut (diperlukan cahaya ultraungu untuk semua logam, kecuali logam alkali), peristiwa ini disebut dengan efekfotolistrik. Efek fotolistrik pada awalnya merupakan hasil dari penelitian Heinrich Hertz yang membuktikan teori gelombang elektromagnetik Maxwell. Saat itu menurut fisika klasik cahaya hanya dipandang sebagai gelombang elektromagnetik. Ketika seberkas cahaya ditembakan pada sebuah plat logam, gelombang akan berosilasi dengan elektron pada logam sehingga elektron terlepas dari permukaan logam dengan energi kinetik yang bergantung pada intensitasnya. Pada tahun 1902 P. Lenard mempelajari bahwa saat keluar dari elektron memiliki kecepatan tertentu serta energi yang dimilki elektron ini tidak bergantung pada intensitas cahaya. Perubahan intensitas cahaya yang datang pada foto sel hanya berpengaruh terhadap jumlah elektron foton yang dihasilkan. Makin intensitas cahaya yang datang maka makin banyak jumlah elektron foto yang dihasilkan. Energi kinetik rata-rata elektron foto hanya bergantung pada frekuensi foton datang. Pada tahun 1905 Einstein memberikan penjelasan mengenai hasil yang didapat Lenard dengan menggunakan konsep yang dinyatakan Max Planck sebelumnya. Ia menyatakan bahwa cahaya/radiasi yang dipancarkan harus dianggap sebagai paket-paket energi berharga diskrit (foton). Foton membawa energi
hυ
yang dapat melepaskan
elektron dari permukaan logam jika energi foton lebih besar dari fungsi kerjanya (W) yang merupakan energi minimum yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam. Pendapat yang dikemukakan Einstein adalah, suatu berkas cahaya terdiri dari paketpaket energi berharga diskrit dengan sifat-sifat :
1. Paket energi merambat dengan kecepatan cahaya c, tetapi berbeda dengan gelombang, energi ini tidak merambat dalam ruang dan tetap menempati volume yang sangat terbatas dalam ruang.
E h 2. Energi paket terkait dengan frekwensi secara linier dengan hubungan . 3. Dalam peristiwa foto listrik sebuah paket menyerahkan energi seluruhnya pada elektron, dan elektron itu kemudian meninggalkan logam. Setelah elektron mendapatkan cukup energi dari foton untuk melepaskan diri dari permukaan logam, Einstein mengatakan bahwa energi kinetik elektron setelah terlepas sebanding dengan frekuensi foton. hν=W + Ek
Gambar 1. Pengamatan eksferimen efek fotolistrik Sesuai dengan skema percobaan diatas, cahaya monokromatis dipancarkan pada plat katoda yang kemudian akan melepaskan elektron yang bergerak menuju anoda. Laju pancaran elektron tersebut terukur oleh galvanometer sebagai arus listrik. Untuk menghitung energi kinetiknya maka dihubungkanlah sumber tegangan pada anoda dan katoda dengan terminal positif pada katoda dan terminal negative pada anoda sehingga dihasilkanlah ‘retarding voltage’ atau potensial perlambatan. Ketika potensial perlambatan ditambah arus listrik perlahan menurun dan akhirnya menghilang pada nilai potensial perlambatan tertentu
yang akhirnya disebut sebagai ‘stopping voltage’ atau potensial penghenti (V0). Saat tidak ada arus lagi yang mengalir, saat itulah elektron memiliki energi kinetik maksimumnya. Ek max=e V 0 Ek max= Energi kinetik maksimum elektron . e=muatan elektron . V 0= potensial penghenti . Setiap logam yang digunakan memiliki energi minimum yang harus dicapai agar elektron dapat terlepas dari permukaan logam. Berikut daftar fungsi kerja pada logam : N o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Element Aluminu m Beryllium Cadmium Calcium Carbon Cesium Cobalt Copper Gold Iron Lead
W (eV)
N o
4.08
12
5.0 4.07 2.9 4.81 2.1 5.0 4.7 5.1 4.5 4.14
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Element Magnesiu m Mercury Nickel Niobium Potassium Platinum Selenium Silver Sodium Uranium Zinc
W (eV) 3.68 4.5 5.01 4.3 2.3 6.35 5.11 4.73 2.28 3.6 4.3
Fungsi kerja ini dipengaruhi oleh nilai frekuensi ambang atau frekuensi cut-off yang merupakan frekuensi minimum dari cahaya agar dapat menghasilkan efek fotolistrik. W =h ν 0 W =fungsi kerja
h=konstanta Planck ν 0 =frekuensi cut−off Fakta-fakta sesuai dengan hasil yang ditemukan pada percobaan efek fotolistrik adalah: 1. Potensial penghenti tidak bergantung pada intensitas cahaya.
2. Potensial pemberhenti (V0) bergantung pada frekuensi () cahaya yang menyinari katoda.
3. Untuk satu macam bahan anoda, lengkung potensial pemberhenti Vo sebagai fungsifungsi frekuensi cahaya, merupakan garis yang lurus. Ada satu frekuensi potong 0 (frekuensi ambang batas), yang menjadi batas efek fotolistrik. Artinya bahan cahaya dengan frekuensi di bawah harga 0 tidak akan menghasilkan efek fotolistrik berapapun intensitasnya dan setiap bahan logam mempunyai harga 0 tersendiri.
C. Alat dan Bahan 1. Planck Constant Apparatus 2. Voltmeter 3. Galvanometer 4. Kabel Penghubung
D. Prosedur Percobaan 1. Menyiapkan alat dan bahan yang akan digunakan. 2. Menghubungkan voltmeter dan galvanometer pada Planck Constant Apparatus. 3. Menghubungkan kabel power Planck Constant Apparatus pada sumber tegangan. 4. Menyalakan Planck Constant Apparatus. 5. Mengatur sudut pantul alat menjadi 00 6. Mencari dan mengukur potensial penghenti menggunakan voltmeter dengan cara menaikan potensial pada alat sampai arus yang terbaca pada galvanometer menunjukkan angka nol atau tidak ada arus yang mengalir. 7. Menulis V0 (Potensial Penghenti) pada table percobaan. 8. Mengulangi prosedur 5-7 dengan mengubah sudut pantul sesuai dengan tabel yang tertera pada alat sampai diperoleh 9 data. E. Data Percobaan No
θ
λ(nm)
V0 (volt)
1 2 3 4 5 6 7 8 9
00 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80
589 564 539 514 489 463 437 411 386
0.5 0.6 0.67 0.75 0.83 0.9 1.0 1.2 1.4
F. Pengolahan Data Sesuai dengan hukum kekekalan energi yang dinyatakan Einstein maka : hν=W + Ek ketika tidak ada arus yang mengalir, foton mencapai energi kinetik maksimum dengan W sebagai fungsi kerja atau energi minimum yang dibutuhkan elektron untuk berpindah, persamaan hukum kekekalan energi Einstein menjadi : Ek=e V 0 W =h ν 0 hν=h ν 0+ e V 0 e V 0 =hν−h ν 0 e V 0 =h ( ν −ν 0 )
h V 0= ( ν−ν 0 ) e V0 h = e ( ν−ν 0 ) Dari data hasil percobaan yang didapat kita bisa menghitung nilai frekuensi dari masingmasing gelombang yang digunakan untuk percobaan menggunakan rumus : c=λν ν=
c λ
8m Dengan c=3 ×10 s
No
Θ
λ( nm)
V0 (volt)
ν
( ×1014 Hz ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9
00 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80
589 564 539 514 489 463 437 411 386
0.5 0.6 0.67 0.75 0.83 0.9 1.0 1.2 1.4
5.09 5.32 5.57 5.84 6.13 6.48 6.86 7.30 7.77
Dari pengolahan menggunakan rumus tersebut bisa dibuat grafik hubungan V0 terhadap ν
Dari grafik tersebut didapat persamaan garis yaitu : V 0=3.15058 ×10−15 ν −1.10074 Saat V 0=0
didapat nilai frekuensi cut-off ( ν0 )
sebesar :
0=3.15058× 10−15 ν−1.10074 3.15058× 10−15 ν 0=1.10074 ν0 =
1.10074 3.15058 ×10−15
ν 0 =3.49377× 1014 Hz Sesuai dengan penurunan persamaan hukum kekekalan energi Einstein, maka nilai kemiringan garis atau gradient grafik tersebut merupakan perbandingan nilai konstanta
Planck dengan nilai muatan elektron didapatkan nilai konstanta Planck yaitu :
( he )
maka dengan nilai
e=1.602 ×10−19 C
h =3.15058× 10−15 e h=e ∙ 3.15058× 10−15 h=( 1.602× 10−19) ∙ ( 3.15058 ×10−15 ) h=5.04723× 10−34 Js Dengan nilai ketidakpastian sebesar : ∆ h=e ∙ 1.1463 ×10−16 ∆ h=( 1.602× 10−19 ) ∙ ( 1.39385 ×10−16 ) ∆ h=0.223295 ×10−34 Js Sehingga nilai konstanta yang didapat adalah sebesar : h=( 5.04723± 0.223295 ) ×10−34 Js Nilai fungsi kerja atau energi minimum yang dibutuhkan elektron untuk lepas dari logam bisa didapat dari nilai konstanta Planck
(h)
dan frekuensi cut-off
( υ 0 ) yang didapat
dari hasil percobaan yaitu : W =h ν 0 W = ( 5.04723× 10−34 ) ∙ ( 3.49377 E ×10 14) W =1.76339×10−19 J W =1.10077 eV Sedangkan
dengan
nilai
konstanta
Planck
sesuai
literature
( h=6.626 ×10−34 Js ) , maka : W = ( 6.626 ×10−34 ) ∙ ( 2.38908× 1014 ) W =1.58300× 10−19 J W =0.98816 eV
G. Analisis Efek fotolistrik adalah gejala pelepasan electron dari suatu atom karena penyinaran. Adanya peristiwa ini tidak bergantung pada intensitas cahaya yang diberikan tetapi lebih kepada panjang gelombang dari cahaya yang diberikan. Apabila panjang gelombang kurang dari panjang gelombang pancung maka fotolistrik akan terjadi, tetapi
apabila lebih besar dari panjang gelombang pancung maka fotolistrik tidak akan terjadi, walaupun diberikan cahaya dengen intensitas yang sangat tinggi sekalipun. Selain itu adanya fotolistrik hanya dalam selang waktu 10 -9 detik setelah terjadinya penyinaran. Hal ini.bertentangan dengan teori gelombang, sehingga adanya efek fotolistrik ini menandakan bahwa teori gelombang telah gagal menjelaskan keberadaan panjang gelombang pancung dan waktu tunda. Fungsi kerja sangat bergantung dari bahan yang yang digunakan. Logam yang berbeda memilki fungsi kerja yang berbeda pula. Apabila fungsi kerja suatu bahan adalah , maka harus dipasok sekurang-kurangnya energi sebesar W, untuk mengeluarkan electron dari suatu bahan. Jika hυ< W
tidak terjadi fotolistrik, jika maka electron akan
terpental keluar dan kelebihan energi yang dipasok akan digunakan electron untuk bergerak menuju anoda (diubah dalam bentuk energi kinetik). Energi kinetik maksimum fotoelektron sangat bergantung pada bahan yang digunakan, karena dengan energi yang diberikan sama (semua foton mempunyai energi yang sama) digunakan untuk melepaskan electron (fungsi kerja yang tergantung pada bahan). Karena fungsi kerja untuk masing-masing bahan berbeda maka energi kinetik maksimum juga bergantung pada bahan yang digunakan. Dengan hubungan : Ek=e V 0 W =h ν 0 hν=h ν 0+ e V 0 e V 0 =hν−h ν 0 e V 0 =h ( ν −ν 0 ) h V 0= ( ν−ν 0 ) e V0 h = e ( ν−ν 0 ) dimana h adalah konstanta planck yang nilainya konstan untuk semua bahan.
Dari eksperimen ini, didapatkan nilai konstanta planck dan fungsi kerja sebagai berikut: h=( 5.04723± 0.223295 ) ×10−34 Js W =1.10077 eV
nilai diatas berbeda dengan literature, hal ini disebabkan ruang yang digunakan (alat percobaan fotoelektron) kurang hampa sehingga masih terdapat molekul-molekul udara didalamnya sehingga memungkinkan untuk electron kehilangan energinya karena bertumbukan dengan molekul-molekul tersebut sehingga pada saat electron sampai pada potensial penghalang energinya telah berkurang. Selain mendapat nilai konstanta Planck, frekuensi cut-off dan fungsi kerja, pada percobaan ini didapat hubungan potensial penghenti dengan frekuensi cahaya yang sesuai dengan hukum kekekalan energi Einstein. Terbukti bahwa efek fotolistrik hanya dipengaruhi oleh frekuensi cahaya yang dapat dilihat dari data percobaan yang didapat yaitu potensial penghenti sebanding dengan frekuensi
( V 0 ∝ ν ) . Hal ini membuktikan
bahwa cahaya dapat dipandang sebagai partikel atau berupa paket-paket energi sesuai dengan yang dinyatakan oleh hipotesa Max Planck dan Albert Einstein. H. Kesimpulan Setelah dilakukan pengolahan data dan analisis pada data maka dapat disimpulkan bahwa: 1. Teori gelombang menyarankan bahwa tenaga elektrik dari fotoelektron harus semakin besar jika sinar cahaya dibuat lebih rapat (kuat). Namun dari hasil eksperiment memperlihatkan bahwa Ek=e V 0
tidak tergantung intensitas cahaya.
2. Nilai konstanta Planck yang diperoleh: h=( 5.04723± 0.223295 ) ×10−34 Js 3. Nilai fungsi kerja logam yang diperoleh: −34 a. Untuk h=( 4.15916 ± 0.18364 ) ×10 Js W =0.62028 eV −34 b. Untuk h=6.626× 10 Js W =0.98816 eV
I. Daftar Pustaka Beiser, Arthur. (1992). Konsep Fisika Modern. Jakarta : Erlangga. Fowler, Michael. The Photoelectric Effect. Tersedia: http://galileo.phys.virginia.edu/ classes/252/photoelectric_effect.html. (23 Maret 2016).