EFEK FOTOLISTRIK

Desi Anggreani, Dian Filani, Lela Suprihatin, Maya D Fistiani, M Naufal Indriatmoko, Rezza Anwary, Saiva Nur, Yunita Anggraini

Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas Sebelas Maret SurakartaJalan Ir. Sutarmi 36A Surakarta 57126 telepon: (0271) 646994

Email : muhammadnaufal9.1@gmail.com

ABSTRACT

Photoelectric effect experiment have been done, consist of 2 kind of sub-experiments those are the one using filter with known value of λ and with unknown value of λ (use mica), then another with variation of slit’s width. Kinetic energy of the ionized electron determined by measuring the potential (V) that is required to stop it (stopping potential). As the potential (V) and the used wavelength is known, the value of h (Planck’s constant) and then the work function (ϕ) value could be obtained by graphical method. These all lead into the obtaining of λ threshold and frequency threshold (υ0), and also the characteristic of that metal inside the photozelle become known. And finally, photoelectric effect experiment could be a way to determine the value of light wavelength (λ) that’s unknown before by using the Planck’s constant and work function those are obtained first.

Key words: photoelectric effect, electron, wavelength threshold, frequency threshold.

ABSTRAK

Telah dilakukan percobaan efek fotolistrik yang terdiri dari 2 jenis percobaan yaitu dengan menggunakan filter cahaya yang sudah diketahui λ-nya maupun yang belum (menggunakan mika) dan dengan memvariasikan lebar celah jendela. Energi kinetik elektron yang terionisasi ditentukan dengan mengukur potensial V yang diperlukan untuk menghentikan-nya (stopping potential). Setelah potensial V dan panjang gelombang cahaya yang digunakan diketahui, maka akan didapatkan nilai konstanta Planck dan fungsi kerja (ϕ) logam melalui metode grafik. Ini menuntun kepada diketahuinya nilai λ ambang dan frekuensi ambang (υ0), serta jenis logam di dalam photozelle dapat diketahui. Dengan demikian, efek fotolistrik dapat pula digunakan untuk menentukan λ cahaya yang belum diketahui dengan konstanta Planck dan fungsi kerja logam yang telah didapat.

Kata kunci: efek fotolistrik, elektron, panjang gelombang ambang, frekuensi ambang.

A. Pendahuluan

Dalam usaha menjawab teka-teki perilaku cahaya, Einstein mengingat kembali gagasan Newton bahwa cahaya berperilaku seperti sebuah aliran peluru meriam kecil atau terdiri dari partikel. Teka-teki yang dipecahkan Einstein dengan bantuan foton (partikel cahaya) itu berhubungan dengan efek fotolistrik yang terjadi bila cahaya yang jatuh pada permukaan logam menumbuk elektron sehingga terlepas dari logam. Efek fotolistrik dapat diamati paling jelas bila menggunakan cahaya berwarna tertentu.[1] Oleh karena itu, percobaan tentang efek fotolistrik ini dilakukan untuk dapat membuktikan sifat cahaya sebagai partikel serta menentukan besaran-besaran terkait, seperti konstanta Planck dan fungsi kerja sel fotokatoda. Dengan mengetahui besaran-besaran tersebut maka dapat dihitung nilai frekuensi ambang dan dapat diketahui bahan fotokatoda serta panjang gelombang cahaya yang belum diketahui.

B. Tinjauan Pustaka

Elektron dipancarkan dari permukaan logam jika cahaya yang frekuensinya cukup tinggi jatuh pada permukaan itu. Gejala ini dikenal sebagai efek fotolistrik.[2]

Frekuensi cahaya yang lebih besar dari nilai minimum saat cahaya monokromatik jatuh di atas katoda disebut frekuensi ambang.[3]

Sebuah foton dengan energi hf bertumbukan dengan elektron di permukaan zat, sehingga foton memindahkan semua energinya ke elektron, dan fungsi kerja, yaitu kerja minimum yang dibutuhkan untuk melepas elektron dari permukaan, adalah W min. Maka energi kinetik maksimum yang diperoleh elektron yang terbebas dari permukaan ialah

12

m vmaks2 =hf −W min..........(1)

Persamaan ini dikenal sebagai persamaan Einstein untuk efek fotolistrik. Energi kinetik elektron itu dapat ditentukan dengan mengukur berapa potensial V yang diperlukan untuk menghentikan-nya, kalau ini tercapai berlaku:

12

m v2=Ve .......................... (2)

Untuk elektron dengan tingkat energi paling tinggi,hf −W min=V s e ……………(3)

dengan V s dikatakan potensial yang dikutipkan (stopping potential).[4]

Fotoelektron merupakan distribusi energi elektron yang dipancarkan oleh logam yang disinari seberkas cahaya. Setiap logam memiliki fungsi kerja masing-masing

berdasarkan jenis dan permukaan suatu logam. [5] Adapun tabel fungsi kerja fotolistrik, yaitu:

Tabel 1. Fungsi Kerja Beberapa LogamNama Logam

Lambang Fungsi Kerja (eV)

Cesium Cs 1,9Kalium K 2,2Natrium Na 2,3Lithium Li 2,5Kalsium Ca 3,2Tembaga Cu 4,5

Perak Ag 4,7Platina Pt 5,6

Einstein menganggap bahwa energi (E) dari sebuah foton individu sebanding dengan frekuensi (f) dari cahaya itu, dengan konstanta kesebandingan (h) yang sekarang dinamakan konstanta Planck (Planck’s constant):

E=hf =hcλ

...................... (4)

di mana c adalah laju cahaya dan λ=cf

adalah panjang gelombang radiasi dalam

ruang hampa. Pengukuran yang teliti dari spektrum radiasi benda hitam dan efek

fotolistrik memastikan kebenaran konsep foton itu dan juga memungkinkan fisikawan untuk menentukan nilai numerik dari konstanta Planck sampai dengan empat angka penting[6],

h=6,626 ×10−34 J . s ...... (5)

Tabel 2. Panjang Gelombang Cahaya Tampak

Panjang gelombang (λ) Cahaya tampak400 sampai 440 nm Violet440 sampai 480 nm Biru480 sampai 560 nm Hijau560 sampai 590 nm Kuning590 sampai 630 nm Jingga630 sampai 700 nm Merah

C. Metodologi

Percobaan dilakukan dengan menggunakan beberapa alat. Lampu spektral Hg 100 watt sebagai sumber cahaya, dengan mendapat masukan daya dari power supply. Oleh karena lampu ini cepat panas dan dapat rusak bila bekerja pada temperatur yang terlalu panas, maka dipasang kipas di atasnya, yang memiliki power supply tersendiri, untuk menjaga temperatur dari lampu. Photozelle yang di dalamnya terdapat logam fotokatoda yang akan disinari oleh lampu spectral Hg diletakkan tepat di depannya. Photozelle memiliki jendela yang dapat diubah-ubah lebarnya dan dapat dipasang filter padanya. Filter yang digunakan ada dua macam yaitu filter dengan panjang gelombang yang sudah diketahui, dan filter mika. Jenis filter yang pertama ada 5 variasi sedangkan filter mika digunakan warna ungu, hijau, dan merah. Lampu dan photozelle diletakkan di atas mounting plate. Alasan penggunaan mounting plate karena bagian bawah dari lampu dan photozelle adalah magnet, sehingga akan lebih aman dan membantu jika keduanya diletakkan di atas mounting plate yang notabene terbuat dari besi. Keluaran dari photozelle disalurkan dengan kabel BNC, yang mana tidak bisa langsung dihubungkan dengan voltmeter. Oleh karena itu disambungkan dengan sebuah amplifier terlebih dahulu baru disambungkan lagi ke voltmeter untuk akhirnya dihitung beda potensial yang tercipta. Semua alat dan bahan ini dirangkai seperti gambar di bawah.

Gambar 1. Rangkaian Alat

Percobaan dibagi menjadi 2 yaitu percobaan dengan jarak terdekat dan dengan variasi lebar jendela. Di percobaan pertama dibagi kembali menjadi dua bagian yaitu yang pertama dengan menggunakan filter yang λ-nya belum

Power Supply

AmplifierStop kontak

Power Supply Kipas

Kipas

Lampu spektral Hg

Filter Cahaya

Mounting Plate

Voltmeter

Photozelle

Kabel BNC

diketahui dan yang belum diketahui (mika). Setelah peralatan diatur seperti gambar, dimulai percobaan 1.a dengan memasangkan filter yang λ-nya sudah diketahui, yaitu λ 336 nm, 405 nm, 436 nm, 546 nm dan 578 nm. Photozelle dan lampu spektral diletakkan pada jarak terdekatnya. Kemudian beda potensial akan terbaca pada voltmeter. Untuk percobaan 1.b perbedaannya hanya pada filter, yang digunakan adalah filter mika berwarna ungu, merah dan hijau. Pengambilan data untuk masing-masing filter diulang sebanyak tiga kali. Tidak untuk percobaan 1.b, data percobaan 1.a diplotkan menjadi sebuah grafik persamaan linier.

Pada percobaan 2 kembali digunakan filter yang sama dengan yang digunakan di percobaan 1.a. Hanya saja kali ini dibuat variasi lebar jendela yaitu sebesar 0,002 m ; 0,004 m ; dan 0,006 m. Tiap lebar jendela dilakukan percobaan yang sama seperti pada percobaan 1.a. Data yang didapat dijadikan grafik menggunakan aplikasi Origin. Di dalam satu bidang kartesian terdapat tiga buat gradient yang mana masing-masing adalah wakil dari tiap variasi lebar jendela.

Metode grafiknya adalah sebagai berikutE=Ek+ϕ…... (6)

hcλ

=eV +ϕ

eV =hcλ

−ϕ

V=hce

1λ−ϕ

e... (7)

y=m x+b….. (8)

Dimana : E = Energi total (joule)Ek = Energi kinetik (joule)ϕ = Fungsi kerja (joule)h = Konstanta Planck (6,626x10-34 Js)c = Kecepatan cahaya (m/s) λ = Panjang gelombang (m)e = Muatan elektron (1,6x10-19 C)V = Tegangan (volt)

1λ

V 1

V 2

V 3

m=hce

b=−ϕe

Mencari h : h=mec …… (9)

Mencari ϕ : ϕ=−b e ... (10)

Mencari υ0: ϕ=hυ0….. (11)

υ0=ϕh …….. (12)

Mencari λ : λ= cheV +ϕ

…. (13)

D. Hasil dan Pembahasan

Tabel 3. Data percobaan 1.a (filter λ yang sudah diketahui)

No λ (m) V 1(volt) V 2(volt) V 3(volt)1 3,66 x 10-7 1,73 1,70 1,712 4,05 x 10-7 1,45 1,45 1,453 4,36 x 10-7 1,25 1,13 1,224 5,46 x 10-7 0,85 0,84 0,845 5,78 x 10-7 0,78 0,78 0,77

Tabel 4. Data percobaan 1.b (filter mika)

No Warna V 1(volt) V 2(volt) V 3(volt)1 Ungu 1,87 1,88 1,872 Hijau 1,82 1,83 1,833 Merah 1,77 1,76 1,77

Tabel 5. Data percobaan 2 variasi lebar jendela (2x10-3 m)

V (volt)

(m-1)Gambar 2. Taksiran Grafik

No λ (m) V 1(volt) V 2(volt) V 3(volt)1 3,66 x 10-7 1,43 1,43 1,442 4,05 x 10-7 1,20 1,20 1,223 4,36 x 10-7 1,01 1,03 1,024 5,46 x 10-7 0,81 0,79 0,805 5,78 x 10-7 0,74 0,74 0,73

Tabel 6. Data percobaan 2 variasi lebar jendela (4x10-3 m)

No λ (m) V 1(volt) V 2(volt) V 3(volt)1 3,66 x 10-7 1,62 1,60 1,602 4,05 x 10-7 1,39 1,40 1,393 4,36 x 10-7 1,20 1,20 1,194 5,46 x 10-7 0,85 0,85 0,855 5,78 x 10-7 0,76 0,75 0,75

Tabel 7. Data percobaan 2 variasi lebar jendela (6x10-3 m)

No λ (m) V 1(volt) V 2(volt) V 3(volt)1 3,66 x 10-7 1,64 1,64 1,642 4,05 x 10-7 1,42 1,42 1,423 4,36 x 10-7 1,23 1,23 1,234 5,46 x 10-7 0,84 0,84 0,855 5,78 x 10-7 0,76 0,76 0,76

Prinsip dari percobaan efek fotolistrik ini adalah dengan menembakkan partikel cahaya (foton) dari lampu spektral Hg 100 ke suatu logam sehingga elektron akan terlepas dari inti logam tersebut apabila frekuensinya lebih besar dari frekuensi ambang. Dengan terlepasnya elektron dari inti logam menyebabkan terjadi beda potensial (V).

Pada percobaan 1.a yaitu dengan menggunakan filter yang sudah diketahui λ-nya didapatkan tiga nilai tegangan (V) yang cukup presisi untuk masing-masing λ. Dari data yang telah didapatkan dari percobaan ini, dapat dilihat bahwa semakin besar λ maka tegangan (V) yang dihasilkan semakin kecil sehingga dapat dinyatakan bahwa bahwa panjang gelombang (λ) berbanding terbalik dengan tegangan (V). Sementara pada percobaan 1.b yaitu dengan menggunakan filter mika warna ungu, hijau dan merah yang belum diketahui λ-nya didapatkan tiga nilai tegangan (V) yang presisi pula untuk masing-masing warna. Dengan menggunakan data nilai tegangan tersebut, maka λ masing-masing filter mika akan didapatkan dengan rumus :

h cλ

=eV +ϕ sehingga λ=h c

eV +ϕdengan V adalah nilai tegangan rata-rata yang didapatkan dari hasil percobaan 1.b, e = 1,6x10-19 C sedangkanh dan ϕ adalah nilai konstanta Planck dan fungsi

kerja rata-rata yang didapatkan dari hasil percobaan efek fotolistrik ini (kesuluruhan percobaan).

Sedangkan pada percobaan 2 dilakukan dengan memvariasikan lebar jendela, semakin lebar celah maka semakin banyak cahaya yang masuk ke logam katoda begitupun sebaliknya. Sehingga akan diketahui hubungan antara internsitas cahaya dan tegangan (V). Seharusnya mengacu pada pernyataan John Gribbin (2005) bahwa, “Bila cahaya redup, hanya sedikit elektron yang dihasilkan. Bila cahaya lebih terang, makin banyak elektron yang dihasikan, tetapi energi yang dikandung tiap elektron sama dengan cahaya redup.” Hal tersebut menjelaskan bahwa intensitas cahaya tidak mempengaruhi energi yang dikandung tiap elektron melainkan hanya mempengaruhi jumlah elektron yang terlepas dari inti logam. Energi yang dimiliki tiap elektron adalah Ek dimana Ek = eV sehingga V=Ek/e. jadi apabila Ek bernilai tetap saat intensitas cahaya berubah maka seharusnya tegangan (V) juga tetap. Namun dari data hasil percobaan 2 dapat dilihat bahwa nilai tegangan (V) berubah ketika lebar jendela ditambah ataupun dikurang. Hal ini terjadi karena cahaya dapat bersifat sebagai partikel maupun gelombang sehingga tidak menutup kemungkinan bahwa cahaya mengalami interferensi, difraksi, refraksi maupun refleksi yang mana dapat mempengaruhi perubahan nilai λ maupun f sehingga tegangan (V) juga berubah.

Dengan menggunakan persamaan :hcλ

=eV +ϕ sehingga V=hcλe

−ϕe

maka dapat dibuat grafik dengan menganalogikan bentuk persamaan di atas dengan persamaan linier yaitu :

y=m x+b

V=hce ( 1

λ )−ϕe

dimana V sebagai variabel terikat (sumbu y) dan 1λ

sebagai variabel bebas (sumbu

x) sehingga didapatkan grafik sebagai berikut

Gambar 3. Grafik percobaan 1.a hubungan V dengan 1λ

Gambar 4. Grafik percobaan 2 hubungan V dengan 1λ

Nilai b pada persamaan y=m x+b merupakan titik potong dengan sumbu y ketika x=0. Pada kedua grafik ini, sumbu y adalah nilai tegangan (V) dan sumbu

x adalah nilai 1λ

sedangkan nilai b ialah −ϕ

e. Sehingga nilai

−ϕe

merupakan nilai

tegangan (V) saat x=0. Sedangkan titik potong dengan sumbu x ketika y=0 ialah ϕe=hc

λe sehingga ϕ=hc

λ pada kedua grafik ini. Dimana ϕ=fungsi kerja logam dan

c = 3x108 m/s (kecepatan cahaya). Nilai m (gradient garis) dari ketiga grafik ini

merupakan nilai hce

dengan e (muatan elektron) = 1,6x10-19 C. Karena b=−ϕe

sehingga ϕ=−be sementara m=hce

sehingga h=mec

maka besarnya ϕ (fungsi

kerja) dan h (konstanta Planck) dapat dihitung. Begitu pula dengan υ0 karena

h υ0=ϕ sehingga υ0=ϕh

. Dari hasil perhitungan didapatkan nilai frekuensi ambang

υ0=(2,41 ± 6,30 )× 1014 Hz, fungsi kerja rata-rata atau ϕ sebesar (0,72 ± 0,09) eV

dan konstanta Planck rata-rata atau h sebesar (4,48 ± 0,21 ) ×10−34 J . s sedangkan

menurut literatur (Young, 2003) besarnya konstanta Planck adalah

6,626 ×10−34 J . s. Perbedaan ini dapat terjadi karena beberapa faktor di antaranya:

efisiensi alat percobaan, ketelitian praktikan saat penempatan filter serta penentuan beda potensial, dan dapat juga disebabkan oleh filter cahaya yang sudah rusak sehingga mempengaruhi λ cahaya yang mengenai logam katoda.

Berdasarkan persamaan:h cλ

=eV +ϕ sehingga λ=h c

eV +ϕmaka λ filter mika dapat dihitung besarnya. Dari hasil perhitungan didapatkan λmerah=336nm, λhijau=328 nm, dan λungu=32 3 nm sedangkan menurut literatur

(Young, 2003) besarnya λmerah=630−700nm, λhijau=480−560 nm, dan λu ngu=40 0−4 4 0nm. Hasil ini memang masih jauh dari literatur, akan tetapi

trend-nya sudah benar yaitu λmerah dengan panjang gelombang paling besar dan λungu dengan panjang gelombang yang paling pendek. Kekurangtelitian ini dapat

disebabkan karena kerusakan filter seperti contoh filternya terlipat, sobek atau berlubang. Selain itu hasil nilai h dan ϕ dari percobaan yang lain juga mempengaruhi ketelitian pada hasil λ yang didapat ini.

Karena ϕ= (0,72± 0,09 ) eV maka kemungkinan logam yang digunakan sebagai fotokatoda adalah logam Cesium (Cs) dengan ϕ=1,9 eV menurut literatur (Beiser, 2003). Nilai ϕ yang didapat lebih mendekati dengan ϕ cesium dibandingkan dengan logam yang lain.

Dalam percobaan efek fotolistrik ini, energi foton tidak dipengaruhi oleh intensitas cahaya karena cahaya dalam hal ini bersifat sebagai partikel sehingga energi yang dimiliki tiap partikel cahaya akan selalu konstan walaupun jumlah partikelnya banyak dalam frekuensi yang sama.

E. Kesimpulan

Percobaan efek fotolistrik yang telah dilaksanakan di Laboratorium Pusat Universitas Sebelas Maret memberikan beberapa hal yang dapat ditarik sebagai kesimpulan. Elektron dari sebuah logam akan terlepas dari intinya (terionisasi) apabila frekuensinya melebihi frekuensi ambang (λ-nya lebih kecil dari λ ambang). Beberapa besaran yang berkaitan dengan efek fotolistrik didapatkan

nilainya yaitu konstanta Planck h=(4,48± 0,21 ) ×10−34 J . s; fungsi kerja logam

pada photozelle ϕ= (0,72± 0,09 ) eV ; frekuensi ambang υ0=(2 , 41 ± 6,30 )× 1014 Hz;

λmerah=336nm, λhijau=328 nm, dan λungu=323 nm. Dan logam yang ada di dalam

photozelle diperkirakan adalah logam Cesium (Cs).

F. Daftar Pustaka

Beiser, Arthur. 1983. Konsep Fisika Modern edisi Ketiga. Jakarta: ErlanggaBeiser, Arthur. 2003. Konsep Fisika Modern edisi Keempat. Jakarta: ErlanggaBueche, Fredrick. 1999. Fisika edisi Kedelapan. Jakarta: ErlanggaGiancoli, Douglas C. 2004. Fisika Jilid 2. Jakarta: ErlanggaGribbin, John. 2005. Fisika Modern. Jakarta: ErlanggaYoung dan Freedman. 2003. Fisika untuk Universitas. Jakarta: Erlangga