EFEK FOTOLISTRIK
Muh. Sugiarto
Laboratorium Fisika Modern
Jurusan Fisika FMIPA
Universitas Negeri Makassar
Abstrak. Efek Fotolistik adalah
satu dari gejala lepasnya elektron dari permukaan suatu benda. Bila seberkas
cahaya (yang memenuhi syarat tertentu) jatuh pada permukaan suatu benda maka
elektron-elektron pada permukaan benda itu akan terbebaskan dari ikatannya
sehingga elektron-elektron tersebut terlepas. Percobaan efek fotolistrik dirancang untuk
menentukan nilai fungsi kerja sel foto, konstanta Planck, dan tenaga
kinetik maksimum
fotoelektron. Melalui percobaan ini diperoleh nilai tetapan Planck sebesar (
. Efek foto listrik
sendiri merupakan peristiwa loncatan elektron dari suatu plat karena pegaruh
cahaya yang datang. Dimana energi kinetik elektron dapat diketahui dari
potensial penghenti
melalui hubungan
. Dengan hubungan
energi kuantum Planck dapat diperoleh nilai tetapan Planck h (
). Melalui percobaan fotolistrik dapat pula diketahui
bahwa laju pemancaran elektron dipengaruhi oleh intensitas cahaya namun tidak
terpengaruh oleh panjang gelombang cahaya yang digunakan. Energi kinetik
maksimum fotoelektron juga tidak tergantung intensitas cahaya, namun hanya
bergantung pada panjang gelombangnya, dengan frekuensi dan energi kinetik
berhubungan secara linear.
KATA KUNCI:
efek
fotolistrik,
potensial pengganti,
PENDAHULUAN
Ahli fisika Inggris
James Clerk Maxwell mengemukakan bahwa setiap
peru’bahan medan listrik akan
menghasilkan medan magnet, dan setiap perubahan
medan magnet akan memicu munculnya medan listrik. Selanjutnya
Maxwell menunjukkan bahwa
kelajuan gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa
sama dengan
kelajuan gelombang cahaya.
Akhirnya Maxwell menyimpulkan
bahwa cahaya terdiri dari gelombang elektromagnetik yang dapat
ditangkap oleh mata.
Pada pemahaman fisika klasik (sebelum abad ke-19), konsep
gelombang elektromagnetik dari cahaya belum
mendapat dukungan eksperimental. Kemudian ahli fisika Jerman
Heinrich Hertz tahun 1888 membuktikan
bahwa gelombang
elektromagnetik
benar adanya dan
berperilaku tepat seperti ramalan Maxwell.
Dalam eksperimennya, Hertz mendapati bahwa percikan sinar pada
transmi terterjadi bila cahaya
ultra ungu diarahkan pada salah satu logam. Selanjutnya,
ditemukan bahwa penyebab percikan ini adalah elektron yang
terpancar bila frekuensi cahaya cukup
tinggi. Gejala percikan elektron tersebut kemudian
dikenal dengan efek fotolistrik.
Ditinjau
dari perspektif sejarah, penemuan efek fotolistrik merupakan salah satu tonggak
sejarah kelahiran fisika kuantum. Untuk merumuskan teori yang cocok dengan
eksperimen, kita dihadapkan pada situasi dimana paham klasik yang selama
puluhan tahun diyakini sebagai paham yang benar, terpaksa harus dirombak. Paham
yang dimaksud adalah konsep cahaya sebagai gelombang tidak dirombak, fenomena
efek fotolistrik tidak dapat dijelaskan secara baik. Paham yang baru yang
mampu menjelaskan secara teoritis fenomena efek fotolistrik adalah bahwa cahaya
sebagai partikel namun demikian, munculnya paham baru ini menimbulkan polemik
baru. Penyebabnya adalah bahwa paham cahaya sebagai gelombang telah dibuktikan
kehandalannya dalam menjelaskan sejumlah besar fenomena yang berkaitan dengan
fenomena difraksi, interferensi, dan polarisasi. Sementara itu, fenomena yang
disebutkan tadi tidak dapat dijelaskan berdasarkan paham cahaya sebagai
partikel. Untuk mengatasi itu, para ahli sepakat bahwa cahaya memiliki sifat
ganda, sebagai
gelombang dan sebagai partikel. Oleh karena itu, kami mengeksperimenkan percobaan efek
fotolistrik untuk mengetahui secara mendalam tentang perilaku cahaya sebagai
partikel menurut teori kuantum dan cara menentukan kosntanta planck.
TEORI
Efek fotolistrik adalah
peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan suatu pada saat permukaan logam
tersebut disinari cahaya (foton) yang memiliki energi lebih besar dari energi
ambang (fungsi kerja) logam. Efek fotolistrik sebenarnya telah diketahui oleh
Hertz pada tahun 1887, bahwa apabila suatu cahaya dikenakan pada logam
tertentu, maka dapat terjadi lucutan electron dari permukaan logam tersebut.
Sumbangan pemikiran dari Albert Einstein dalam masalah ini menguatkan gagasan
max planck tentang kuantisasi energi dan sekaligus membuktikan bahwa cahaya
(foton) yang mengenai logam bersifat partikel. Dengan demikian, gagasan Max
Planck yang semula masih diragukan, akhirnya dapat diterima secara luas[1].
Penjelasan menurut fisika
klasik, tentu saja didasarkan pada faham bahwa cahaya sebagai gelombang.
Menurut paham ini, sesungguhnya tidaklah mengherankan jika cahaya mampu
melepaskan `elektron
dari logam. Sebab, sebagai gelombang, cahaya membawa energy yang dapat
diberikan kepada electron sehingga electron mampu melepaskan diri dari ikatanya
dan bergerak dengan energy kinetic tertentu. Semakin besar intensitas cahaya,
semakin besar pula energy yang dapat diberikan kepada electron. Lepas tidaknya
electron akibat penyinaran ini bergantung pada cukup tidaknya energy yang
dikumpulkan electron untuk melepaskan diri dari ikatannya. Namun demikian, ada
beberapa fakta eksperimen yang tidak dapat dijelaskan oleh fisika klasik[2].
Einstein mempostulatkan
bahwa energi
yang dibawa oleh cahaya terdistribusi secara kontinu sebagaimana dinyatakan
oleh teori gelombang. Paket-paket energy ini akan tetap terlokalisir (tidak
memudar) ketika bergerak menjauhi sumbernya. Dengan demikian, paket-paket
energy ini berperilaku sebagai partikel: kehadirannya terlokalisir, artinya
pada saat tertentu akan menempati ruangan yang sangat terbatas dan tertentu.
Selanjutnya, bak partikel ini disebut foton.
Karena foton selalu bergerak dengan laju c maka menurut teori relativitas,
massa foton haruslah 0. energi foton bergantung pada frekuensinya, yaitu
Dengan h menyatakan tetapan planck.
Interaksi foton dengan
partikel, misalnya dengan electron seperti pada gejala efek fotollistrik, dipostulatkan
sebagai berikut. Setiap foton berinteraksi dengan satu electron tunggal. Tidak
pernah satu foton membagi energinya kepada lebih dari satu electron. Lebih
lanjut, karena electron pada gejala efek fotolistrik dalam keadaan terkuat,
maka agar tidak melanggar hokum kekekalan energi dan hokum kekekalan momentum,
proses transfer energi dari foton ke electron ini memiliki sifat sebagai
berikut. Jika energi foton cukup untuk melepas electron dari ikatannya maka ada
peluang bagi foton untuk memberikan energinya. Tetapi, jika energi foton tidak
cukup maka foton tidak memberikan energinya. Jadi, hanya ada dua
kemungkinanyang kterjadi yaitu foton memberikan seluruh energinya, atau
samasekali tidak memberikan energinya kepada electron[2].
Pada percobaan 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
1.1.
berikut:
Gambar
1.1. Rangkaian percobaan Efek Fotolistrik
Di 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:
dengan
=
energi kinetik maksimum (eV), dan
=
fungsi kerja logam (eV)
Persamaan
memungkinkan pengukuran konstanta Planck
dengan analisis sebagai berikut. Cahaya dengan
energi
menabrak elektron katode di dalam tabung
hampa. Elektron memanfaatkan energi minimum
untuk melepaskan diri dari katoda, beberapa
elektron keluar dengan energi maksimum
.
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:
Dengan mensubstitusi persamaan ke dalam persamaan
diperoleh persamaan Einstein,
Bila
dan
diplot, akan diperoleh grafik sebagai berikut:
|
Slope =
|
|
(vo)
|
|
(x
1014 Hz)
|
Gambar
1.2. Grafik hubungan potensial penghenti dengan frekuensi
Perpotongan kurva
dengan
sama
dengan
dan kemiringan kurva adalah
.
Dengan mengetahui nilai
,
konstanta
dapat ditentukan. Sedangkan perpotongan kurva
dengan sumbu
memberikan harga frekuensi ambang dan
perpotongan kurva dengan sumbu
dalam arah negatif memberikan harga fungsi
kerja dari katoda[3].
Perlu diketahui bahwa efek
fotolistrik hanyalah satu dari beberapa proses pada masa elektron dapat
dilepaspancarkan dari permukaan suatu bahan (pada umumnya logam). Beberapa cara
lainnya adalah sebagai berikut:
·
Emisi
termionik: pemancaran electron dari permukaan logam melalui proses pemanasan.
·
Emisi
medan (lucutan elektrik): pemancaran electron dari permukaan logam akibat
pemberian medan listrik eksternal yang sangat kuat.
·
Emisi
lanjutan (secondary emission): pemancaran electron dari permukaan logam yang
diakibatkan oleh partikel berenergi kinetic besar membentur logam[2].
METODOLOGI
EKSPERIMEN
GAMBAR 2. Perangkat Percobaan Efek Fotolistrik
Terdapat
dua kegiatan yang dilakukan pada percobaan ini. Pada kegiatan 1, penulis ingin memastikan bahwa cahaya
berperilaku sebagai partakel. Mula-mula sumber cahaya diatur sejauh 35 cm dari
sensor dan mengatur current multiplier
pada posisi ×0.01. Setelah itu, mengambil filter biru dan meletakkannya pada
jendela tabung. Mengukur potensial penghenti dengan mengatur intensitas cahaya
sampai terbaca arus pada layar. Kemudian, mengatur potensial penghalang yang
lebih kecil dari potensial penghenti
, naikkan intensitas cahaya dan amati perubahan
arusnya. Selanjutnya, proses yang sama dengan
kemudian
.
Pada
kegiatan 2, lebih dulu filter biru diganti dengan filter merah. (ketika
mengganti filter, sebaiknya menggunakan tisu). Pasang potensial penghalang pada
nilai nol. Untuk mengukur potensial penghenti, atur intensitas cahaya sampai
terbaca arus pada layar. Lanjutkan pengukuran dengan menggunakan filter yang
lain.
HASIL EKSPERIMEN
DAN ANALISA
DATA
Pada
kegiatan 1 diperoleh data sebagai berikut
TABEL 1. Hubungan antara Potensial Penghenti dengan Potensial
Penghalang
|
Perlakuan
|
Arus
|
|
|
Ada
|
Tidak Ada
|
|
|
V < Vs
V = Vs
V > Vs
|
√
-
-
|
-
√
√
|
Berdasarkan
praktikum yang telah dilakukan, pengaruh intensitas cahaya terhadap arus
fotoelektrik yaitu berbanding lurus. Pada saat perangkat percobaan berada dalam
ruang gelap, maka tidak ada penunjukan nilai arus yang tampil. Akan tetapi,
saat diberi cahaya, terbaca arus pada layar. Hal ini menunjukkan adanya aliran
arus listrik. Aliran arus ini terjai 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 henti.
Pengaruh
intensitas cahaya terhadap energi kinetik elektron-foto berdasarkan percobaan
yang dilakukan yaitu intensitas cahaya tidak bergantung pada energi kinetik
elektron-foto tetapi hanya bergantung
pada panjang gelombang.
Sesuai dengan teori
bahwa
diperoleh dari
. Sehingga dapat
dikatakan bahwa energi
kinetik bertambah secara linear terhadap frekuensi sumber cahaya.
Pada
kegiatan 2 diperoleh data sebagai berikut
TABEL 2. Hubungan antara Frekuensi dengan Potensial Penghenti
|
Filter Warna
|
Panjang Gelombang (nm)
|
Frekuensi (x 1014 Hz)
|
Potensial Penghenti (V)
|
|
Merah
Jingga
Kuning
Hijau
Biru
|
635
570
540
500
460
|
4.72
5.26
5.56
6.00
6.52
|
0.52
0.59
0.77
1.15
1.20
|
Dari
tabel diatas dapat dianalisis berdasarkan grafik sebagai berikut
GAMBAR 2. Grafik hubungan antara potensial
penghenti dengan frekuensi
Dari
analasis grafik dapat dihitung nilai konstanta Planck (
) dan fungsi kerja (
). Menggunakan persamaan efek fotolistrik
dapat dihubungkan dengan persamaan
yang diperoleh
dari analisis grafik, maka dapat ditentukan
;
;
;
Dari analisis grafik diperoleh
maka,
·
Konstanta Planck
(h)
·
Fungsi Kerja
Logam (
)
Persentasi Kesalahan Konstanta Planck
SIMPULAN
Berdasarkan
percobaan yang dilakukan nilai konstanta Plank yang di dapatkan
mendekati nilai tetapan Plank yang sebenarnya. Dengan
menggunakan persamaan
sehingga
tetapan yang di hasilkan
dengan
persentase sebesar 0,88%. Peristiwa
efek fotolistrik tidak akan terjadi bila frekuensi cahaya yang digunakan lebih
rendah dari frekuensi ambangnya. Sehingga energi foton harus lebih besar dari
energi ambang logam(Wo) . Jika energi foton yang datang lebih kecil dari Wo
logam maka elektron-elektron tidak akan pernah keluar dari permukaan logam
meski berapa pun besar intensitasnya. Energi yang dibutuhkan elektron untuk
bergerak dari dalam logam ke permukaan atau energi yang membebaskan elektron
dari ikatannya disebut dengan fungsi kerja (energi ambang).
REFERENSI
[1]Daud M., Jasruddin. 2005. Pengantar Fisika Modern. Badan Penerbit UNM Makassar: Makassar.
[2]Sutopo. 2005. Pengantar
Fisika Kuantum. Jurusan Fisika FMIPA UM: Malang.
[3]Subaer, dkk. 2013.
Penuntun Praktikum Eksperimen Fisika I Unit Laboratorium Fisika Modern Jurusan
Fisika FMIPA UNM.
No comments:
Post a Comment